Современный автомобиль

ИНЖЕНЕР Ю. КЛЕЙНЕРМАН

За пятьдесят два года своего развития автомобиль стал безупречной машиной. Тщательно продумана конструкция, совершенно ее выполнение. Сравнив первую моторную коляску Бенца, выпущенную в 1886 г., с современным «Фордом», «Кадиллаком» или «ЗИС-101», вряд ли кто-нибудь станет утверждать, что они — родственники. Слишком уж велико внешнее различие, слишком убого и неуклюже выглядит старый «Бенц» рядом со своим великолепным, динамичным потомком.

А между тем в процессе развития автомобиля общая принципиальная его схема почти никак не изменилась. Эта схема, сложившаяся в конце прошлого столетия, включала в себя четырехтактный двигатель внутреннего сгорания, фрикционное, т. е. основанное на силе трения, сцепление, трех- или четырехскоростную коробку передач, карданный вал, и, наконец, главную передачу с дифференциалом и полуосями, на которых монтировались задние колеса.

Почти все основные агрегаты автомобиля тоже сохранили свой принцип работы.

В чем же заключается тогда разница между машиной начала века и современным автомобилем?

Она сводится к улучшению отдельных агрегатов. Совершенство их конструктивных форм и дало автомобилю его основные современные качества — скорость, плавность хода, бесшумность, легкость управления.

В печатаемой в журнале серии статей мы и хотим показать, что же представляет собой современный автомобиль, каковы те конструктивные усовершенствования, которые обеспечили ему такое широкое признание и распространение, и каковы пути его дальнейшего развития.

Статья первая

Равномерно движущийся по дороге автомобиль испытывает ряд сопротивлений. На преодоление их и расходуется мощность автомобильного двигателя. Если дорога, по которой движется автомобиль, абсолютно ровна и горизонтальна, то машине приходится преодолевать только три вида сопротивления: сопротивление в трансмиссионных механизмах, сопротивление качению шин (сила трения между колесом и дорогой) и сопротивление встречного воздуха. Если бы эти сопротивления стали настолько велики, что на них пришлось бы затрачивать всю мощность двигателя, то автомобиль не смог бы больше ускорить своего движения. При первом же небольшом подъеме на дороге он вынужден был бы остановиться. Отсюда можно заключить, что двигатель автомобиля должен располагать известным запасом мощности, чтобы расходовать его на преодоление встречных подъемов дороги и на ускорение движения. Так оно и есть на самом деле. Общая мощность двигателя затрачивается на пять видов сопротивления: трение в механизмах автомобиля, трение шин о дорогу, сопротивление воздуха, подъем дороги и инертность массы автомобиля.

Значение этих отдельных сопротивлений (за исключением первого) зависит, главным образом, от обстоятельств движения. Если, например, машине приходится преодолевать крутой и длинный подъем, то на это расходуется большая часть мощности за счет той, которая могла бы быть затрачена на ускорение, преодоление сопротивления воздуха и т. д.

Естественно поэтому, что, уменьшив сопротивление, можно при той же мощности двигателя развить большую скорость или, наоборот, для движения с той же скоростью поставить двигатель меньшей мощности. В этом именно направлении и шла передовая техническая мысль. Для того чтобы уменьшить сопротивление в трансмиссии, нужно улучшить качества смазки и обработки отдельных деталей — шестерен, валов и др. Для уменьшения сопротивления дороги — снизить вес автомобиля и т. д.

Раньше, лет двадцать-тридцать назад, когда автомобиль развивал не слишком большие скорости, сопротивление воздуха занимало незаметное место в общем балансе сопротивлений движению автомобиля. Это объясняется тем, что сила сопротивления воздуха растет пропорционально квадрату скорости автомобиля, а мощность, расходуемая на это сопротивление, — пропорционально третьей степени скорости.

Если, например, при скорости 30 км/час двигатель данного автомобиля расходует около 1 л. с., то при скорости 90 км/час расход мощности составит:

\(1\times\left(\frac{90}{30}\right)^3=27\) л.с.,

а при скорости 120 км/час:

\(1\times\left(\frac{120}{30}\right)^3=64\) л.с.

Таким образом, при высоких скоростях на сопротивление воздуха затрачивается весьма значительная часть мощности.

Вверху видно направление воздушных потоков при движении машины с нормальным кузовом.

Внизу же показано, что нужно сделать с кузовом для того, чтобы уменьшить сопротивление воздуха.

Так происходит завихрение воздуха спереди — у ветрового стекла — и сзади машины. Сзади создается даже нечто вроде вакуума, что еще больше мешает движению автомобиля.

Завихрения перед передним стеклом тем больше, чем круче оно поставлено.

Между тем за последние годы проложена сеть хороших дорог и автострад и появилась неуклонная тенденция повышать скорость автомобиля. В Америке сейчас есть пассажирские автомобили, развивающие скорость в 170—180 км/час. Скорость даже дешевых «Фордов» и «Плимутов» доходит до 120—130 км/час. Естественно, что снижение сопротивления воздуха стало теперь одной из центральных задач конструктора.

Так выглядел автомобиль в начале XX в.

Так выглядит он теперь. Это советская машина "ЗИС-101".

Действительно, уменьшив сопротивление воздуха, можно было бы использовать выигранную здесь часть мощности и ускорить движение автомобиля. Можно и наоборот: сохраняя заданную скорость, не увеличивая ее, уменьшить мощность, расходуемую двигателем, и, следовательно, снизить расход топлива.

По подсчетам английского инженера Барнея, Соединенные штаты Америки до 1931 г. ежегодно теряли около 500 млн. долларов только потому, что конструкторы при проектировании кузовов не ставили перед собой задачу понизить сопротивление воздуха при движении автомобиля.

*

Каким же образом можно уменьшить сопротивление воздуха?

Та часть мощности двигателя, которая затрачивается на преодоление воздушного сопротивления, зависит от трех факторов: скорости, лобовой площади автомобиля и сопротивления среды, в которой он движется.

Это положение по отношению к любому телу, движущемуся в определенной среде, вывел Ньютон.

Скорость мы принимаем за исходную величину, понижать которую не собираемся. Для уменьшения сопротивления воздуха остаются, следовательно, два пути: сократить лобовую площадь и сделать автомобиль более обтекаемым, чтобы воздушные потоки легче скользили вокруг него.

Для того чтобы представите себе сущность обтекаемости, рассмотрим те положения, которыми руководствовался Ньютон при выводе основных законов аэродинамики. Формулируя закон сопротивления среды, Ньютон исходил из того положения, что движение тела сообщает некоторую скорость частицам среды, преодолевая силы ее инерции. Сопротивление же среды равно сумме этих сил инерции и является следствием трех факторов:

1) давления встречных частиц воздуха и их завихрения;
2) трения потока воздуха о параллельные ему поверхности автомобиля;
3) пониженного давления сзади кузова и вызванного им завихрения струй воздуха.

Встречное давление и понижение давления сзади иногда объединяют и называют сопротивлением формы. Второй же вид сопротивления среды — поверхностное трение воздуха — совершенно подобен тому трению, что наблюдается, например, при протекании жидкости по трубам или при протекании масла через вискозиметр. Оно похоже также на трение пленок масла в подшипниках.

Явление поверхностного трения воздуха состоит в следующем: очень тонкий слой воздуха прилипает к поверхности тела автомобиля и начинает двигаться с той же скоростью, что и автомобиль. Соседний слой воздуха уже перемещается относительно слоя, «прилипшего» к поверхности автомобиля, с некоторой скоростью. Между этими двумя слоями возникает трение. За этим слоем имеется еще ряд слоев, двигающихся относительно автомобиля со все увеличивающейся скоростью. Суммарное трение между этими слоями и есть поверхностное трение воздуха. В то время как сопротивление формы изменяется пропорционально квадрату скорости, поверхностное трение воздуха возрастает пропорционально увеличению скорости в степени 1,81.

Рассматривая рисунки, уже можно представить себе те конструктивные мероприятия, которыми удалось бы улучшить обтекаемость автомобиля. Так, например, задок автомобиля должен быть несколько вытянут, чтобы воздушные потоки могли постепенно стекать с него, не образуя значительных вихрей. Все выступающие части нужно убрать, а те, что придется оставить, например фары, должны получить также обтекаемую форму с удлиненным задком. Все острые углы надо сгладить, чтобы придать машине мягкие, плавные очертания.

Примерно этим путям и следуют современные конструкторы при проектировании автомобильных кузовов.

Интересна эволюция формы экипажа, начиная с обыкновенной извозчичьей пролетки и кончая современным автомобилем. Первые самодвижущиеся экипажи точно копировали конные экипажи. По мере развития техники автомобиль принимает все более специфическую форму, соответствующую современным скоростям.

Так сформировался современный автомобиль. Кузов его вытянут и весь «зализан», крылья также слегка вытянуты, приобрели динамическую форму и органически связаны с кузовом плавными переходами. Фары и подфарники «утоплены» в крыльях, багажник сильно округлен и выполнен заодно с кузовом, и даже петли и ручки дверей не образуют выступов. Ветровое стекло и радиатор наклонены назад, а задок автомобиля оттянут так, что даже при спокойном положении машины создается впечатление будто она быстро движется, разрезая встречный воздух.

Справа — современный автомобиль. Кузов его вытянут и весь «зализан», фары "утоплены" в крыльях, ветровое стекло радиатор наклонены назад, а задок автомобиля сильно оттянут. Но можно ли все-таки назвать этот автомобиль действительно обтекаемым?

Но можно ли назвать показанный на рисунке автомобиль «обтекаемым» в полном смысле этого слова? Оказывается, что нет. Дело в том, что обтекаемость автомобиля определяется не столько «зализанностью», внешней динамичностью и обтекаемостью отдельных частей, сколько выбором общей, правильной, с точки зрения аэродинамики, формы. Такой правильной формой, как доказал еще в 1922 г. инженер Джарай, является форма падающей капли. Каплеобразный кузов Джарая считается наиболее совершенным с точки зрения обтекаемости. Однако, широко признанный как теоретик, Джарай нашел очень мало последователей в практике.

Парадоксально, но факт. Этот неуклюжий, некрасивый кузов, чем-то напоминающий консервную банку, имеет с точки зрения аэродинамики гораздо более правильную форму, чем изящный «сверхобтекаемый» динамичный красавец, поданный на фото справа выше. Это — форма падающей капли.

Вот еще один кузов, имеющий форму падающей капли. Его построил талантливый французский конструктор Андре Дюбонне. Сзади на кузове — стабилизатор, который не только увеличивает обтекаемость, но и придает автомобилю устойчивость на больших скоростях.

Это объясняется тем, что форма падающей капли не дает автомобилю того изящества и внешней «динамичности», которые прежде всего привлекают взгляд покупателя на Западе и в Америке. Каплеобразный кузов не соответствует тем эстетическим представлениям о «красоте» автомобиля, которые выработались у буржуа в течение десятилетий. Малейшее же отступление от строгих, действительно несколько неуклюжих форм падающей капли уже весьма резко отражается на качествах обтекаемости автомобиля. Поэтому подавляющее большинство современных, автомобилей имеют так называемые «псевдообтекаемые» кузова и представляют собой в той или иной мере компромиссное решение между условиями действительной обтекаемости и вкусами широкой публики.

*

Тем не менее убедительные теоретические выкладки Джарая зародили немало зерен сомнения в сердца современных конструкторов. Так, например, в Америке в последнее время выпущено несколько машин с каплеобразными кузовами фирмы «Хилл». Приближение к форме падающей капли можно отметить также у нового спортивного автомобиля «Адлер», отличающегося между тем большим изяществом и внешней динамичностью. Этот автомобиль, по оригинальному выражению автора, имеет форму «сечения ветра».

Кузов, имеющий, по оригинальному выражению автора, форму "профиля ветра". Несколько приближаясь к форме падающей капли, он остается при этом очень изящным и динамичным.

Каплеобразный кузов фирмы "Хилл", выпущенный в Америке. Как он далек по своему внешнему виду от современных "псевдообтекаемых" кузовов!

Этот изящный итальянский кабриолет „Альфа-Ромео" выпуска 1937 г. очень далек от действительной обтекаемости.

Модный псевдообтекаемый автомобиль "Опель-1937". Фары здесь вделаны даже не в крылья, а в передок капота.

Вот образец исключительно изящного и красивого автомобиля, в котором приятная для глаз плавность линии и внешняя "динамичность" сочетаются с полным пренебрежением к правильному выбору формы и расположению отдельных деталей. Обратите внимание на фары, радиатор и багажник, — это они не соответствуют общему "духу" кузова.

На самой конструкции современного автомобильного кузова и внутренней его отделке мы здесь не будем останавливаться подробно.

Неправильно было бы думать, что проектировать и изготовлять кузов легче, чем другие основные агрегаты автомобиля. Производство кузовов — очень сложное и трудное дело, требующее больших инженерных знаний и разнообразного оборудования. А испытания моделей кузовов с продувкой в специальных аэродинамических трубах, пожалуй, самые сложные из всех испытаний частей автомобиля и по технике своей и по необходимой теоретической подготовке технического персонала.

Дверцы кузова теперь, как правило, открываются так.

Внутренность кузова. Видно расположение чемоданов.

Одна из самых последних конструкций — кузов автомобиля "Адлер", модели 1937 г.

Внизу показана рама, на которую этот кузов монтируется.

Вот как можно убрать багажник и запасное колесо. Когда крышка опускается, машина приобретает такой вид, как будто она совсем не имеет багажника.

Иногда фары прячут под радиатор. На рисунке — новая модель "Пежо" выпуска 1937 г.

Большое значение при проектировании формы кузова имеет расположение агрегатов на шасси автомобиля. В частности, существует мнение, что, если расположить двигатель сзади, кузову легче придать истинно обтекаемую форму.

Заднее расположение двигателя с приводом на задние колеса, переднее расположение двигателя с приводом на передние колеса, задний двигатель с приводом на передние колеса — все эти современные проблемы автостроения, не нашедшие пока правильного решения, имеют множество специфических преимуществ, но и не мало недостатков.

Вопросу о расположении агрегатов на шасси будет посвящена специальная статья в серии статей о современном автомобиле.