Тенденції розвитку конструкції автомобіля на сучасному етапі.

Конструкции автомобилей непрерывно совершенствуются. Тенденции развития конструкций автомобилей обусловлены как экономическими, так и социальными при­чинами. Экономические причины опреде­ляют тенденцию повышения топливной экономичности как легковых, так и гру­зовых автомобилей, что в настоящее время стало одним из ведущих направ­лений современного автостроения. Со­циальными причинами обусловлена тен­денция повышения безопасности автомо­билей. Автомобиль — объект повышен­ной опасности. Поэтому необходимо со­вершенствование активной и пассивной безопасности автомобиля. Автомобиль яв­ляется источником загрязнения окружающей среды отработавшими газами (окись углерода, окислы азота). Это определяет непрерывное повышение требований эколо­гической безопасности автомобиля. Сле­дует также отметить тенденцию авто­матизации управления автомобилем, кото­рая обеспечивается современными сред­ствами электронной, микропроцессор­ной техники и направлена на повышение топливной экономичности и динамики автомобиля (управление двигателем и трансмиссией), активной безопасности (управление тормозной системой), ком­фортабельности (управление подвеской и др.).

Автомобильный транспорт является од­ним из основных потребителей нефтяного топлива, поэтому в результате энергети­ческого кризиса 1973 г., вызвавшего рез­кое повышение стоимости нефти (за сравнительно короткое время она выросла больше чем в 20 раз), возникла необхо­димость во всех странах принять экстрен­ные меры по экономии нефтяного топлива. Применительно к автомобильному транс­порту были проведены директивные и кон­структивные мероприятия.

Директивно во всех странах первона­чально было введено ограничение мак­симальной скорости движения, что по­зволило снизить расход топлива и одно­временно привело к некоторому сокраще­нию числа дорожно-транспортных проис­шествий. Наряду с этим директивно предложено принять меры по снижению расхода топлива.

В ряде стран это привело к увеличению выпуска автомобилей малого и особо малого классов. Для производства грузо­вых автомобилей характерна тенденция увеличения выпуска автомобилей боль­шой грузоподъемности и более широкого использования автопоездов, что также по­зволяет снизить расход топлива на еди­ницу транспортной работы. Конструк­тивные мероприятия, направленные на снижение расхода топлива, следует рас­смотреть отдельно для двигателя, шасси и кузова.

Двигатель.В первую очередь надо от­метить расширение применения дизелей,

позволяющих снизить расход топлива на 25...30 % (и больше при дальнейшем со­вершенствовании рабочего процесса дизе­ля, в частности при использовании турбонаддува).

Работа по совершенствованию рабоче­го процесса бензиновых двигателей про­водится в следующих направлениях: ор­ганизация послойного распределения за­ряда в камере сгорания, позволяющего использовать обедненные смеси; впрыски­вание топлива во всасывающий тракт; ис­пользование электронного управления до­зированием подачи топлива и зажига­нием; применение турбонаддува. Комп­лексное использование перечисленных ме­роприятий может обеспечить снижение расхода топлива до 20 %.

Значительное внимание уделяется при­менению новых видов топлив — замените­лей нефтяных топлив. За последние годы цена нефти на мировом рынке снизилась, однако мировые запасы нефти ограничен­ны, добыча нефти в малодоступных райо­нах сопряжена с большими сложностями и затратами. Это неизбежно должно при­вести к росту цены на нефть, а затем к необходимости замены нефти на другие виды топлива.

В нашей стране перспективно широкое применение природных газов. Более даль­ней перспективой является использование в качестве топлива для двигателей внут­реннего сгорания водорода, запасы кото­рого практически неограниченны. При ра­боте на водородном топливе может быть решена проблема токсичности отработав­ших газов, так как в результате сгорания водорода образуется вода. Однако получе­ние водорода сопряжено с большими энергетическими затратами, затруднены хранение и транспортирование водоро­да. Состояние проблемы таково, что вряд ли можно прогнозировать широкое при­менение водорода до 2000 года.

Некоторое развитие получат электро­мобили, главным образом для городских условий эксплуатации. Они бесшумны и не загрязняют окружающую среду. Пре­пятствием к их широкому применению является малая энергоемкость аккумуляторных батарей, их громоздкость, что снижает грузоподъемность автомобиля и запас хода. Широкое использование электромобилей станет возможным, когда энергоемкость аккумуляторных батарей будет повышена в 5...10 раз.

К этому следует добавить, что рассмот­рение различных способов использования первичных источников энергии (камен­ного угля, нефти и т. п.) дает основание утверждать, что наименее экономичным является их использование на электро­мобиле.

По-видимому, в недалеком будущем получат развитие двигатели новых типов. В первую очередь следует отметить рабо­ты по созданию адиабатного керамиче­ского двигателя, обеспечивающего высо­кий термический КПД благодаря высо­кой температуре рабочего процесса из-за малого излучения теплоты в окружающую среду. В таких двигателях система ох­лаждения отсутствует.

Газотурбинные двигатели (ГТД) в на­стоящее время не используют на авто­мобилях, так как их топливная экономич­ность ниже, чем у дизелей, однако в перс­пективе при применении керамических материалов может быть налажено про­изводство автомобильных ГТД (при по­вышении температуры сгорания расход топлива уменьшается).

Шасси. При снижении массы легко­вого автомобиля на 50...70 кг может быть получена экономия топлива 2...3 %.

Для снижения массы автомобиля про­водят работы в трех направлениях: поиск рациональных компоновочных решений; поиск рациональных форм деталей; при­менение конструкционных материалов, обладающих малой плотностью при обес­печении достаточной прочности.

Одним из широко распространенных в настоящее время компоновочных реше­ний является компоновка легковых авто­мобилей с передним расположением дви­гателя и передними ведущими и управ­ляемыми колесами. При такой компоновке можно снизить массу автомобиля пример­но на 10 %, трудоемкость на 13 %, себе­стоимость на 6 % при одновременном

улучшении устойчивости и управляемости, обеспечении оптимального использования' объемов автомобиля. Переднеприводная компоновка получила применение для ав­томобилей малого, среднего и большого классов.

Для грузовых автомобилей оптималь­ным компоновочным решением, позволяю­щим значительно снизить массу, является размещение кабины над двигателем. На­ряду с сокращением базы примерно на 30 % и улучшением использования габа­ритной площади при такой компоновке может быть повышена грузоподъем­ность.

В качестве примера создания рацио-нал ьныхг-фарм деталей можно рассмот­реть применение листовых рессор. При установке листов Т-образного сечения, малолистовых и однолистовых рессор их масса может быть снижена.

В наибольшей степени масса зависит от плотности материалов. Массу авто­мобилей в настоящее время в первую очередь определяет объем стали и чугу­на. Автомобильная промышленность — один из основных потребителей этих ме­таллов. Использование в автомобиле­строении легированных и низколегирован­ных сталей, а также алюминия позволяет значительно снизить массу автомобилей. Известно, что при применении 1 кг алю­миния масса автомобиля снижается на 1 кг. Обсуждается техническая и эко­номическая целесообразность изготовле­ния деталей автомобилей из других лег­ких металлов — магния, титана.

Существенно уменьшается масса ав­томобиля при использовании пластмасс. Помимо снижения массы автомобиля, это обеспечивает уменьшение трудоемкости изготовления деталей, повышение их кор­розийной стойкости, уменьшение теплопро­водности и др. Пластмассы могут быть как декоративными, так и конструкцион­ными материалами для деталей, воспри­нимающих различные нагрузки. Особое внимание уделяется композиционным ма­териалам, которые представляют собой пластмассы, армированные волокнами различного вида (стеклопластики, угле­пластики, боропластики).

Армированные пластики имеют плот­ность примерно в 4 раза меньшую, чем плотность стали, при равной со сталью массой обладают значительно большими прочностью и способностью к поглоще­нию энергии. Расширяется изготовление из композиционных материалов ряда от­ветственных деталей: рессор, карданных валов и др. Полагают, что термостойкость этих материалов может быть доведена до 2000 °С. Сдерживает применение компо­зиционных материалов их высокая стои­мость, которая должна снижаться по мере расширения их производства.

Топливная экономичность может быть снижена при рациональном выборе пе­редаточных чисел трансмиссии. Общей тенденцией является увеличение числа ступеней коробки передач, что позволяет в эксплуатационных условиях выбирать передачу, наиболее соответствующую тре­бованиям топливной экономичности. Да­же на легковых автомобилях малого клас­са часто устанавливают пятиступенча­тые коробки передач. Есть основания счи­тать, что в ближайшем будущем число ступеней коробки передач легковых ав­томобилей будет увеличено.

На грузовых автомобилях устанавли­вают коробки передач с числом ступеней от 5 до 24. Возможно использование для автомобилей одной марки главных передач с различными передаточными числами. Перспективна автоматизация управления ступенчатыми трансмиссиями с помощью микропроцессоров. Найдут применение автоматические бесступенча­тые трансмиссии.

Большое значение для снижения расхо­да топлива имеет уменьшение энергети­ческих потерь в шинах. Экспериментально показано, что уменьшение сопротивления качению шин на 10 % дает экономию топ­лива в среднем 3 %.

Кузов. Топливная экономичность авто­мобиля в большой степени зависит от аэродинамического сопротивления кузова и автомобиля в целом. Затраты мощно­сти на преодоление аэродинамического

сопротивления пропорциональны фактору-обтекаемости и третьей степени скорости автомобиля. Уже на скорости около 50 км/ч потери мощности на аэродина­мическое сопротивление близки к поте­рям мощности на сопротивление качению шин по твердой опорной поверхности. По экспериментальным данным снижение за­трат мощности на аэродинамическое со­противление на 10 % позволяет получить экономию топлива 3 %.

Непрерывно улучшаются аэродинами­ческие формы легковых автомобилей. Ко­эффициент обтекаемости перспективных легковых автомобилей С_д-<0.3. Имеются опытные образцы легковых автомобилей, для которых С_х<;0,2.

Снижению аэродинамического сопротив­ления грузовых автомобилей начали уде­лять внимание только в последние годы. Особое значение это имеет для автотранс­портных средств, совершающих междуто-родные перевозки и движущихся с боль­шими средними скоростями. Для улучше­ния обтекаемости между кабиной и по­луприцепом (фургоном) устанавливают пластмассовые обтекатели. Одновременно с этим стремятся придавать кузовам за­кругленные формы, без заметных высту­пов. Такие мероприятия позволяют сни­зить расход топлива при движении со скоростями 70...80 км/ч примерно на 10%.

Масса кузова составляет значительную часть массы автомобиля, поэтому сниже­ние массы кузова важно для улучшения топливной экономичности. Наибольший эффект дает применение пластмассовых кузовов (автомобиль «Трабант») и от­дельных пластмассовых деталей (капот, крышка багажника, буфер, облицовоч­ные детали и т. п.). В среднем масса де­талей, изготовленных из пластмасс, в 2 ра­за меньше массы деталей, изготовленных из стали.

2. Компоновка автомобіля. Аналіз схем компоновки легкових, вантажних автомобілів та автобусів.

Компоновочные схемы легковых авто­мобилей.Расположение силового агрега­та, число и расположение ведущих мос­тов, тип кузова, число дверей, располо­жение багажника определяют компоно­вочную схему легкового автомобиля.

По расположению силового агрегата и ведущего моста установились три харак­терные компоновочные схемы (рис. 1).

1. Классическая схема — двигатель, сцепление, коробка передач расположены впереди, ведущий мост задний, его привод

 

Рис.1 Основные компоновочные схемы легковых автомобилей

осуществляется через карданные валы и главную передачу с дифференциалом (рис. 1, а).

II. Переднеприводная схема — двига­тель, сцепление, коробка передач, главная передача, дифференциал расположены впереди, поперечно или продольно отно­сительно осевой линии автомобиля, ве­дущий мост передний (рис. 1, б).

III. Схема с задним расположением двигателя (заднемоторная) —двигатель, сцепление, коробка передач, главная пе­редача, дифференциал расположены сза­ди, продольно или поперечно относительно осевой линии автомобиля, ведущий мост задний (рис. 1, в).

Заднемоторная схема, имевшая широ­кое распространение в прошлом, не перс­пективна по двум причинам: недостаточ­ной устойчивости автомобиля и малого объема багажника, который размеща­ется впереди, так как большой объем занимают ниши управляемых колес и элементы рулевого управления. Наиболь­ший объем багажник имеет при передне­приводной схеме, а наименьший — при заднемоторной схеме. Распределение на­грузки на переднюю и заднюю оси зад-немоторного автомобиля соответственно составляет 40 и 60 %. Такие автомобили отличаются излишней поворачиваемостью, что ухудшает управляемость автомоби­ля при движении по скользким дорогам и увеличивает снос от бокового ветра.

Переднеприводная схема имеет широ­кое применение по двум основным при­чинам: обеспечение недостаточной пово-рачиваемости, что улучшает устойчи­вость автомобиля; улучшение условий ком­поновки салона (отсутствует тоннель для карданной передачи и выступ для глав­ной передачи). При нагрузке на перед­ний мост в пределах 51...52 % полной массы обеспечена хорошая проходимость автомобиля.

При классической схеме компоновки происходит некоторое увеличение длины и массы автомобиля, ухудшается компо­новка салона.

Сравнительная оценка трех компоно-

вочных схем легковых автомобилей при­ведена в табл. 1.

 

 

 

Компоновочные схемы грузовых автомо­билей.Наиболее распространены четыре варианта компоновочных схем грузовых автомобилей, они характеризуются распо­ложением двигателя и кабины (рис. 4).

/. Двигатель над передним мостом, ка­бина за двигателем — капотная компо­новка (рис. 4, а), представитель — КрАЗ-6505; преимущества: хорошая до­ступность к двигателю, удобство входа и выхода, наименьшая возможная нагруз­ка на передний мост; недостаток — ог­раниченная передняя обзорность.

//. Двигатель над передним мостом, ка­бина частично надвинута на двигатель — короткокапотная компоновка (рис. 4, б), представитель — автомобиль ЗИЛ-433100