От колеса до кареты

Тематический план лекции: 1.1. Предмет изучения. Общие тенденции и проблемы развития автомобильного транспорта. Автомобиль и автомобилизация в современном понимании.

«Попробуйте гонять лошадь целыми днями без отдыха, и через десять тысяч миль вам потребуется новая лошадь. Автомобилю Ford понадобится только сменить шины» (Из проспекта фирмы Ford начала века)

Желание освободиться от физических усилий при перемещении чего-либо или облегчить их, располагать большей силой, быстротой, оставить за собой лишь управление работой владело мечтами людей. Они создавали сказания о коврах-самолетах, семимильных сапогах и волшебниках, переносящих человека за тридевять земель мановением жезла. Что касается реальных транспортных средств, роль их двигателя сначала выполняли сами люди (катить легче, чем волочить или нести на себе), потом приспособили животных - волов, оленей, собак, больше всего лошадей.

Применение силы домашних животных внесло особый штрих в идею транспорта: живое существо требовало ухода, заботы, вызывало привязанность человека. «Хорошее отношение к лошадям» (В. Маяковский) распространилось и на неживую, техническую часть транспортного средства повозку.

Схема проявления происхождения автомобиля от экипажей, велосипедов, а механизмов автомобиля – от заводских станков и стационарных двигателей

Примечательно, что и конным, и впоследствии механическим экипажам присваивали собственные имена, восхваляющие их скорость, надежность и другие ходовые качества[1]. Появление многоместных конных повозок (омнибусов, дилижансов) внесло еще один штрих: возницу уподобляли капитану судна, весьма распространенного в старину, хотя и не сухопутного, средства транспорта. Обозначилась разница в отношении человека к конному транспорту личного пользования и выполняющему общественные или производственные функции.

В эпоху Возрождения были созданы мускульные повозки, перемещаемые силой людей, увеличивали которую рычаги и шестерни. В XVIII веке попробовали заменить в транспорте живую силу силой пара и применили термин «автомобиль» (из греческого «аутос» - «сам», из латинского «мобилис» - «подвижный»)[2].

В слово «аута» человек вкладывал смысл, относящийся и к машине, и к нему самому, не прибегая к другим средствам передвижения или ходьбе: выбор маршрута и скорости, места и времени остановок.

Это отличает автомобиль, особенно личного пользования, от других видов транспорта.Эту идею независимости вынашивали изобрета­тели автомобиля, и таким автомобиль увидел свет в 1885 г.[3], когда Карл Бенц (Karl Benz) и Готтлиб Даймлер (Gottlieb Daimler) независимо друг от друга изобрели и изготовили образ­цы своих автомобилей.Автомобиль Бенца был трехколесным с достаточно простой системой рулевого управления, а автомобиль Даймлера – четырехколесный[4].

Автомобиль Бенца. С двигателем объемом 984 см3 и мощностью 0.9 л.с. при 400 об. в минуту он развивал скорость 15 км в час

Автомобиль Даймлера. С двигателем объемом 469 см3 и мощностью 1.5 л.с. при 700 об. в минуту он развивал скорость 16 км в час

В конструкции этих машин были всеосновные элементы современных автомобилей. Прежде всего, они приводились в движение двигателем внутреннего сгорания. У них имелись колеса, рессоры, рулевое управление, тормоза. Крутящий момент от двигателя передавался к колесам с помощью трансмиссии. Двигатель с трансмиссией соединялся через сцепление, роль которого вначале играл натяжной ролик ременной передачи, позволяющий запустить двигатель на стоянке.

Почему же счет жизни автомобиля ведется от первых «бензиномобилей», как бы забывая о паровых и электрических экипажах? Двигатель внутреннего сгорания произвел подлинный переворот в транспортной технике. В течение длительного времени он оказался наиболее отвечающим идее автомобиля и потому надолго сохранил свое главенствующее положение.

Появление автомобиля было подготовлено прогрессом техники, социальным и экономическим развитием человеческого общества, ростом потребности в средствах транспорта.К этому прогрессу уже на ранней стадии причастны, кроме признанных изобретателей автомобиля, многие, иногда забытые подвижники в разных областях деятельности[5] - получении необходимого для автомобиля топлива, организации безрельсовых перевозок, создании (не только для автомобиля!) пневматических шин, высокопрочных и легких материалов, электрических приборов.

В своем исследовании «Концепция автомобиля» 1957 года видный французский конструктор Фернан Пикар, в течение 30 лет возглавлявший Отдел проектов и исследований фирмы «Рено», делит историю конструирования автомобиля (главным образом легкового) на три периода.

Период до первой миро­вой войны он называет изобретательским, когда главной за­дачей была материализация идеи, создание действующих машин, накопление и обобщение опыта. Изобретательский период, ушедший в далекое прошлое, исследователи и коллекционеры старых автомоби­лей всех стран делят на две части: «предки» - автомобили выпуска до 1905 года - и «ветераны» (1905 – 1918 гг.),

Следующий период (примерно до 1940-х годов) – инженерный, в котором были разработаны основы теории и расчета автомобиля, стали воз­можными быстроходные, комфортабельные машины, их массо­вое производство. Инженерный период также называют периодом классиков

Третий период назван «стилисти­ческим» или «дизайнерским» (на передний план выдвинулись проблемы соответствия машины запросам потребителя, удоб­ство и безопасность пользования, эстетические каче­ства).

Эта периодизация связана и с величайшими политическими событиями, и с общеизвестными радикаль­ными сдвигами в науке, технике, особенно в технологии про­изводства.

Потребовалось около трех десятков лет, насыщенных драматическими ситуациями, общественными, политическими и культурными сдвигами, чтобыавтомобиль из капризной и еще ненадежной спортивной игрушки превратился в практичное транспортное средство.

Для изменения направления движения в первых автомобилях, как в каретах, поворачивалась вся передняя ось целиком вместе с рессорами подвески. Очень скоро стало ясно, что это годится только для конных экипажей с их скоростями и совершенно непригодно для автомобилей. Причина в том, что при повороте точки касания внутренних и внешних колес с дорогой движутся по разным траекториям и для предотвращения бокового скольжения управляемые колеса должны поворачиваться на разные углы.

Вспомнив о работах Рудольфа Аккермана, который в 1834 г. запатентовал поворотную систему, основанную на принципе параллелограмма, с успехом применили ее в автомобиле. Справедливости ради нужно отметить, что систему Аккермана впервые использовал на паровой самодвижущейся повозке Амаде Болле (Amedee Bollee)еще в 1878 г.

Система Аккермана

Помимо передних колес, создававших трудности при повороте, уделили внимание и задним, которые были ведущими. Ведущие колеса нельзя было устанавливать на одной оси, так как при повороте внутреннее колесо проходит меньший путь и, поэтому, вращается медленнее, чем внешнее. Проблема была решена применением для привода ведущих колес дифференциального механизма, изобретенного в 1831 г. англичанином Робертсом и позволяющего изменять передаточное соотношение или направление вращения.

Колеса первых автомобилей представляли собой жесткие обода с массивными или велосипедными спицами, на которые надевались сплошные резиновые шины. Даже при установке очень мягких рессор механизмы первых автомобилей не были защищены от непрестанных ударов при движении по дорогам. Автомобили начинали разваливаться на части: рассыпались спицы колес, ломались рессоры, рулевые колеса, ослаблялось крепление двигателя, трещали по швам кузова.

Конструкторы пытались усиливать детали автомобиля, что только утяжеляло его. Требовались более мощные и тяжелые двигатели, масса автомобиля возрастала еще больше, а удары колес на выбоинах и ухабах становились сильней, чем раньше. Образовавшийся замкнутый круг удалось разорвать с изобретением в 1888 г. Джоном Данлопом (John Boyd Dunlop) пневматической шины.

О проблемах пневматических шин заботились, в основном, гонщики, для которых была важнабыстрая замена шинына несъемных колесах. В 1891 г. Эдуард Мишлен (Edouard Michelin)изобрел съемную шину с внутренней камерой, которая значительно улучшила качества автомобиля[6].

Масса автомобиля уменьшилась примерно в 1.5 раза, удлинился срок его службы, движение стало более плавным, появилась возможность передвигаться со скоростью[7], о которой в XIX веке нельзя было и мечтать.

С этой же целью английская фирма Rudge-Whitworth с 1908 г. начала изготовлять быстросъемное лучеобразное колесо с канавкообразным пазом, крепимое одной центральной гайкой барашкового типа[8].

В начале ХХ века спицованные (экипажные) колеса со спицами крест-накрест заменили стальными[9] и легко­сплавными дисковыми (металлический диск с неразборным ободом) колесами.

Даймлером была применена коробка передач. Для достижения максимальной скорости без потери мощности на рубеже XIX - XX веков Луи Рено (Louis Renault)была предложена прямая передача и, одновременно, применение карданной передачи вместо цепной в классическую схему трансмиссии, предложенной фирмой Panhard et Levassor.Механизмы шасси типичного легкового автомобиля с бензиновым двигателем начала ХХ века располагаются в следующем порядке:

- двигатель с системой охлаждения крепится к передней части шасси;

- эффект, мощность двигателя передается коробке передач через сцепление, представляющее собой фрикционную муфту;

- из коробки передач усилие направляется через карданный вал с двумя шарнирами по концам к дифференциалу и от последнего через полуоси - к задним ведущим колесам.

Передача от карданного вала к дифференциалу осуществляется парой конических шестерен, червяком или двойной зубчатой передачей.

Окружное усилие на задних ведущих колесах вызывает реакцию дороги, которая последовательно передается колесам, шарикоподшипникам полуосей, заднему мосту и раме.

Передние колеса обычно не являются ведущими. Они служат только для управления автомобилем, которое производится путем поворота не всей передней оси, а только кулаков, на которых сидят передние колеса.

Шасси легкового автомобиля с бензиновым двигателем

Повышение скорости движения потребовало совершенствования конструкции тормозов. Хотя Этторе Бугатти (Ettore Bugatti) однажды сказал, что автомобили служат для езды, а не для остановки, разработке тормозов уделялось много внимания. Вначале это были башмаки, прижимающиеся при торможении к поверхности шины, затем ремни, наматывающиеся на специальные барабаны, и только в последующем появились барабанные тормоза с внутренними колодками.

Долгое время тормоза устанавливались только на задние колеса. Обнаружилось, что при торможении возникает момент, увеличивающий нагрузку на передние и существенно разгружающий задние колеса, делает задние тормоза малоэффективными. Несмотря на большие сомнения, стали устанавливать тормоза и на передние колеса. Одним из пионеров в этой области стал инженер Джустино Каттанео, сконструировавший в 1910 г. Isotta-Fraschini и снабдивший ее тормозами передних колес.

В начале ХХ века автомобиль в общих чертах был создан, но был еще дорогостоящей игрушкой, редкостью, а не средством передвижения. Поэтому в начале ХХ века возникли новые задачи: создание массового производства этой сложной машины; создание системы ее технического обслуживания; разработка особых технологических приемов; прокладка пригодных для автомобильного движения дорог; градостроительные проблемы. Первым по настоящему массовым автомобилем стал, разработанный в 1908 г. автомобиль Ford Т (за 19 лет выпуска произведено 15 млн. штук). Внедрение конвейерной сборки привело к тому, что за время производства цена автомобиля упала с 950 до 260 $.

Автомобиль Форд-Т с двигателем объемом 2892 см3 и мощностью 21 л.с. при 1500 об. в минуту он развивал скорость 60 км в час

Автомобиль стал доступным и массовым, поэтому к середине 1920-х годов мировое автомобильное поголовье превысило 30 млн. машин.

Идея автомобиля[10], сохраняя свое главное значение, посте­пенно конкретизируется, оттачивается, обогащается вместе с совершенствованием средств транспорта, приспособляется к социальным и материальным условиям, к расширению сферы применения автомобиля.

От автомобиля требовали все больших удобств и все более высокой скорости, достижение которой стало возможным благодаря усовершенствованию дорог. И тут обнаружилось, что сложившаяся концепция автомобиля находится, в свете новых требований, на пределе своих возможностей. В чем это выражалось?

Если слово «автомобиль» понимать как «транспортное средство, способное создавать собственную движущую силу», основная концепция автомобиля должна сводиться к желанию быстро и независимо путешествовать, открывать новые горизонты и наслаждаться связанными со скоростной ездой радостями, волнующими возможностями.

С другой стороны, требования к автомобилю учитывают и «портрет» его владельца: уровень благосостояния, личные интере­сы, склонности, моральные качества, темперамент. В этом идея автомобиля схожа с исторически сложившимся представлением о личном экипаже.

Именно поэтому после первых десятилетий становления автомобиля возникла борьба между защитниками дорогой престижной или спортивной машины для избранных, с одной стороны, и сторонниками автомобиля для широких кругов населения - с другой.

Последние, хоть и не полностью одолели своих противников, все же достигли многого, чему способствовал рост мобильности людей, развитие городов, все большее распространение автомобиля в качестве массового народнохозяйственного транспортного средства.

Скоростные качества, универсальность, доставка пассажиров «от двери до двери», привлекательность автомобильного туризма и другие достоинства привели к тому, что автомобиль, несмотря на сложность и дороговизну, стал столь распространен.

Комфортобеспечивают хорошо оборудованный закрытый кузов и плавность хода, а плавность хода - эластичные рессоры и шины. Скорость - значит мощный двигатель, тем более мощный, чем лучше оборудован кузов (т.е. чем он тяжелее) и чем больше сопротивление шин при качении по дороге (т.е. чем шины мягче). Примером такой конструкции может служить автомобиль Cadillac 1925 г. с огромным закрытым кузовом, большими колесами и 8-цилидровым двигателем.

“Кадиллак 314-7” - 1925 с 8-цилиндровым двигателем мощностью 85.5 л.с. при 3000 об./мин.

Автомобиль 1920-х годов с тяжелым кузовом каретной конструкции и мягкими баллонными шинами вдруг по непонятным причинам отказывался подчиняться водителю даже на очень хороших дорогах и, особенно, на большой скорости.

Не менее загадочными были и колебания передних колес (названные впоследствии “шимми” по названию модного в те годы танца), причем опять таки на хороших дорогах. Все сооружение, хоть в него и вкладывали сотни килограммов металла, дерева и резины, быстро расшатывалось и начинало отчаянно скрипеть.

При массовом производстве автомобилей на методы проб и ошибок для решения возникших проблем уже нельзя было полагаться. Нужны были научные методы решения поставленных жизнью технических задач. Появилась и стала развиваться наука, которая в наше время называется теорией автомобиля.

Довольно быстро ученым и инженерам удалось установить, что причиной всех бед автомобиля 1920-х годов оказалось эластичное колесо. То самое эластичное колесо, которое в начале ХХ века решило многие проблемы автомобиля и сделало его конструкцию работоспособной. Вместе с радиальной эластичностью колесо приобрело и эластичность в боковом направлении.

Если на катящееся жесткое в боковом направлении колесо действует боковая сила, оно продолжает двигаться по траектории, совпадающей с плоскостью вращения колеса, до тех пор, пока боковая сила не превысит силу сцепления колеса с дорогой. При действии же боковой силы на катящееся эластичное колесо траектория его движения отклоняется от плоскости колеса на угол, называемый углом бокового увода.

На рис. а показана схема качения эластичного колеса, когда боковые силы отсутствуют. Линия ОА проходит посередине протектора.При качении колеса его точки В и С, находящиеся на этой линии, касаются дороги соответственно в точках В₁ и C₁, и траектория качения колеса будет располагаться в плоскости симметрии колеса.

При действии на колесо боковой силы F_y вертикальная плоскость, проходящая через центр колеса, сместится относительно центра отпечатка на D (Рис. б), а линия ОА, проходящая посередине протектора, будет изогнутой. Вследствие этого при повороте колеса на некоторый угол точка В войдет в контакт с дорогой в точке В₂, а точка С - в С₂.

Схема качения эластичного колеса с уводом

При дальнейшем качении колеса все точки, лежащие на середине протектора, будут иметь контакт с дорогой на линии ОК, и траектория колеса (линия ОК) отклонится от плоскости колеса на угол d.

Теперь представим себе, что задние колеса автомобиля подвержены уводу, а увод передних мал, или отсутствует. При повороте увод колес по направлению действия центробежной силы заставит автомобиль поворачиваться еще круче, центробежная сила еще больше возрастет и … автомобиль уйдет в занос, теряя управляемость. С увеличением скорости движения аналогичная картина возникает даже при небольшом отклонении траектории движения автомобиля от прямолинейной.

Причина автоколебаний тоже оказалась в эластичном колесе в сочетании с господствующей в то время зависимой подвеской. Были разработаны новые схемы подвески, сводившие к минимуму или полностью исключающие многие негативные явления в автомобилестроении того времени.

Итак, автомобиль получил возможность ездить по хорошим дорогам со скоростью превышающей 100 км в час.

В 1930-е годы был внедрен гидравлический привод тормозов. Благодаря изобретению усилителя тормозов даже физически слабый водитель мог ездить на большом автомобиле и быть уверенным, что при необходимости сможет остановить его. Последним штрихом в развитии тормозов считается внедрение дисковых тормозов. Благодаря своей термостойкости они с успехом были испытаны в гоночных автомобилях, а в 1960-е годы ими стали оснащать и серийные машины.

Для достижения высоких скоростей движения на автомобили стали устанавливать все более и более мощные двигатели, увеличивая их вес и расход топлива, но существенного прироста скорости не происходило.

Bugatti 41 Royal (1933). Двигатель 8-цилиндровый объемом 12763 см3, мощностью 300 л.с. при 2000 об./мин. Максимальная скорость – 200 км/час. Емкость бензобака 225 л. Вес – 3 т

Выяснилось, что на скоростях, превышающих 100 км/час, автомобиль каретной конструкции тратит на преодоление сопротивления воздуха до 3/4 мощности двигателя, что подстегнуло интерес конструкторов к автомобилям с аэродинамическими формами.

Chrysler Airflow - 1934 г. 8-цилиндровый двигатель (4893 см3) развивал мощность130 л.с. при 3400 об. в мин

“Победа”, разработанная в 1943 г., имела коэффициент сопротивления воздуха С_w = 0,31[11]. Очевидно, сказался опыт, накопленный в авиации в предвоенные годы, и талант конструкторов.

Когда Россия вступила на путь автомобилизации, в развитых странах мира уже существовали сотни тысяч автомобилей. Молодая Страна Советов получила в наследство от дореволюционной России несколько сот изношенных машин, недостроенные автозаводы и почти полное отсутствие не только автомобильных, но и вообще мощеных дорог. Первая в мире страна социализма привлекла энтузиастов, вызвала к жизни силы, которые сумели в короткий срок в значительной мере наверстать отставание.

Уже в третьей пятилетке СССР вышел на одно из первых мест в Европе по производству автомобилей, умножил в сотни раз свой автомобильный парк, доведя его до миллиона. Важную роль сыграли автомобили в Великой Отечественной войне.

Богата событиями и послевоенная летопись отечественного автотранспорта: выход на первое место в стране среди других видов транспорта по объему перевозок, введение «перспективного типажа» автомобилей, создание новых более производительных конструкций, строительство автозаводов-гигантов, развитие дорожной сети, решение вопросов экономии топливных и трудовых ресурсов, защиты окружающей среды... Автомобиль стал незаменимым связующим звеном многоотраслевого народного хозяйства.

Популяризация личных автомобилей, вызванная ростом благосостояния и транспортной подвижности населения, началась в 1950-х годах. Быстро прошли несколько лет спокойного развития в этой области, пока личный автомобиль был еще новинкой.Общественно-экономическая формация предопределяет интенсивное развитие видов транспорта, в том числе и автомобильного.

Мировой парк автомобилей неудержимо ­растет: от 6 тысяч в начале XX века до более полумиллиарда в наши дни. В ряде стран на тысячу жителей приходится 250 - 550 только легковых машин.

Теперь площади и перекрестки прошиты тоннелями и эстакадами. Автомобили потеснили парки, заполнили стоянками свободные территории. Иными стали и сельские пейзажи, пересеченные дорогами. Протяжение многополосных автомагистралей достигло в США 100 тыс. км, в европейских странах - по нескольку тысяч километров.

Автомобили - мощная энергетическая база человечества. Однако автомобилизация несет людям не только пользу. Массовость автомобиля вызвала угрозу истощения ресур­сов нефти, загрязнение атмосферы городов, возникновение дорожно-транспортных происшествий[12]. Достаточно произвести несложные расчеты с оглядкой на миллионы автомобилей в той или иной стране, чтобы понять, почему уже в 1960-х годах положение считали критическим и предсказывали близкий конец автомобильного века.

В 1970-е годы, в связи с топливным кризисом, сделавшим актуальными вопросы топливной экономичности, стали более строго подходить к весовому совершенству автомобиля. Это потребовало использования расчетных методов для анализа прочности и жесткости автомобиля.

Метод конечных элементов (МКЭ) позволяет проводить расчетные исследования конструкции при минимальном количестве упрощающих допущений. Использование МКЭ приводит к необходимости иметь дело с задачами огромной размерности (более 100000 неизвестных) и требует для реализации производительной вычислительной техники.

Результаты расчетного анализа напряжений в несущей системе УАЗ-31512

На протяжении ста последних лет автомобиль постоянно совершенствовался в результате решения проблем, возникающих с расширением его функциональных возможностей. Параллельно с развитием конструкции автомобиля развивались и научные методы, позволяющие исследовать и описать математически сложные процессы, происходящие при движении автомобиля.

При проектировании конструкций транспортных средств знание этих методов позволяет избежать многих ошибок, которые предыдущие поколения инженеров были вынуждены решать методом проб.

Применение теории позволяет существенно удешевить стоимость разработки новых автомобилей, повысить их качество, сократить время проектирования. Возможность количественной оценки характеристик автомобиля при изменении различных параметров позволяет “настроить” автомобиль на достижение высоких показателей в специфических дорожных условиях, что весьма важно, например, для спортивных автомобилей.

В настоящее время совершенствование конструкции автомобиля происходит в основном благодаря широкому использованию компьютерных систем. Самыми важными сферами применения ЭВМ являются управление зажиганием и впрыском, управление автоматическими коробками передач, антиблокировочными системами, управление подвеской, контроль функций автомобиля.

Предметом изучения современной теории автомобиля являются физические законы, лежащие в основе механики движения автомобиля. Её методы позволяют разобраться в тягово-скоростных и тормозных свойствах автомобиля, т.е. всесторонне исследовать и описать математически процесс разгона, равномерного движения и торможения автомобиля, решить вопросы устойчивости и управляемости автомобиля при движении, исследовать факторы, влияющие на плавность хода автомобиля и научиться управлять этими факторами. В компетенцию науки входит и исследование топливной экономичности автомобиля.

Для автомобилей, предназначенных для эксплуатации в условиях бездорожья, методы теории автомобиля позволяют оценить характеристики его проходимости. В нашей стране основные положения теории автомобиля как науки были разработаны академиком Е.А.Чудаковым и сформулированы в книге “Теория автомобиля”, впервые вышедшей в 1935 г. В последующем отдельные разделы теории автомобиля получили дальнейшее развитие в трудах многих советских и зарубежных ученых. Так, совершенствование методов расчета тягово-скоростных свойств нашло отражение в трудах Г.В.Зимелева, вопросы управляемости и устойчивости разрабатывались А.С.Литвиновым, методы расчета плавности хода и основы системы «водитель-автомобиль-дорога-среда» (ВАДС) - Р.В.Ротенбергом. Современным методам оценки проходимости автомобилей посвящены работы Я.Е.Фаробина.

Условие дальнейшего существования и разви­тия автомобиля заключается в точном определении направлений его развития в меняющихся условиях, для чего необходимо обращение к прошлому, чтобы найти в нем ключ к понима­нию событий и явлений и задачам, которые пред­стоит решить.