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 Сд-<0.3. Имеются опытные образцы легковых автомобилей, для которых Сх<;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