ОСНОВНІ ТЕНДЕНЦІЇ РОЗВИТКУ КОНСТРУКЦІЙ АВТОМОБІЛІВ

Конструкції автомобілів безупинно удосконалюються. Тенденції розвитку конструкцій автомобілів обумовлені як економічними, так і соціальними причинами. Економічні причини визначають тенденцію підвищення паливної економічності як легкових, так і вантажних автомобілів, що в цей час стало одним із провідних напрямків сучасного автобудування. Соціальними причинами обумовлена тенденція підвищення безпеки автомобілів. Автомобіль — об'єкт підвищеної небезпеки. Тому необхідно вдосконалювання активної й пасивної безпеки автомобіля. Автомобіль є джерелом забруднення навколишнього середовища відпрацьованими газами, для карбюраторних двигунів - окис вуглецю (СО), окислів азоту (NО_x) і з'єднаннями свинцю (P_b), а дизелів – вміст окислів азоту й сажі (С). Це визначає безперервне підвищення вимог до екологічної безпеки автомобіля. Слід також зазначити тенденцію автоматизації керування автомобілем, яка забезпечується сучасними засобами електронної, мікропроцесорної техніки й спрямована на підвищення паливної економічності й динаміки автомобіля (керування двигуном і трансмісією), активної безпеки (керування гальмовою системою), комфортабельності (керування підвіскою й ін.).

Автомобільний транспорт є одним з основних споживачів нафтового палива, тому в результаті світової кризи підвищилась вартість нафти ( за порівняно короткий час вона виросла більше чим в 20 разів), виникла необхідність у всіх країнах вжити екстрених заходів по економії нафтового палива. Стосовно до автомобільного транспорту були проведені директивні й конструктивні заходи.

Директивно у всіх країнах спочатку було введене обмеження максимальної швидкості руху, що дозволило знизити витрату палива й одночасно привело до деякого скорочення числа дорожньо-транспортних пригод. Поряд із цим директивно запропоновано вжити заходів по зниженню витрати палива.

У ряді країн це привело до збільшення випуску автомобілів малого й особливо малого класів. Для виробництва вантажних автомобілів характерна тенденція збільшення випуску автомобілів великої вантажопідйомності й більш широкого використання автопоїздів, що також дозволяє знизити витрату палива на одиницю транспортної роботи.

Конструктивні заходи, спрямовані на зниження витрати палива, слід розглянути окремо для двигуна, шасі й кузова.

Двигун. У першу чергу треба відзначити розширення застосування дизелів, що дозволяють знизити витрата палива на 25...30 % (і більше при подальшім удос-коналюванні робочого процесу дизеля, зокрема при використанні турбонаддува).

По-друге створення ізотермічного двигуна, який має більш високий ККД. У нього температура в робочій камері повинна прагнути до постійної.

Український винахідник з м. Суми Анатолій Лисенко зі своїм співавтором, узявши за основу штельцерівську ідею, розвили її й по суті винайшли новий двигун, який назвали LG. Принцип його роботи в тому, що лінійний хід поршнів перетвориться в обертовий рух не за допомогою кривошипно-шатунного механізму, а другим шляхом. Три поршні, жорстко зв'язані штоком, рухаються лінійно в циліндрах. Два крайні поршні є робочими. Центральний являє собою елемент гідравлічного насоса, який подає спеціальну рідину на турбіну. Відсут-ність бічних навантажень дозволяє розвити дуже високу частоту ( до 30000 об/хв.).

Висока частота поршневого блоку наближає температуру до постійної, різко підвищується КПД, двигун стає нечутливим до палива й не перегрівається. Турбіна працює м'яко. Лінійна залежність крутного моменту від числа обертів дає можливість обійтися без коробки передач. Крім того, висока частота значно підвищує питому потужність, двигун зменшується в розмірі й вазі. Мотор буде стабільно працювати в широкому діапазоні частот поршневого блоку.

Такий дизель забезпечить повне згорання палива й екологічну чистоту. Ще одна з переваг — дешеві матеріали й більша їхня довговічність за рахунок відсу-тності бічних навантажень. Процес виготовлення й складання легко автоматизу-вати. Ну, а головне, коефіцієнт корисної дії. Він поки що рекордний — 50%.

Робота з удосконалювання робочого процесу бензинових двигунів прово-диться в наступних напрямках: організація пошарового розподілу заряду в камері згоряння, що дозволяє використовувати збіднені суміші; упорскування палива в усмоктувальний тракт; використання електронного керування дозуванням подачі палива й запалюванням; застосування турбонаддува. Комплексне використання перерахованих заходів може забезпечити зниження витрати палива до 20 %.

Значна увага приділяється застосуванню нових видів палив — замінників нафтових палив. За останні роки ціна нафти на світовому ринку скачуть( до 80 $ за барель), до того ж світові запаси нафти обмежені, видобуток нафти в малодоступ-них районах пов’язана з великими складностями й витратами. Це неминуче приве-де до росту ціни нафти, потім до необхідності заміни нафти на інші види палива.

У нашій країні перспективно широке застосування природних газів. (Метан – великі запаси якого виявлено в надрах України). Більш далекою перспективою є використання як палива для двигунів внутрішнього згоряння водню, запаси якого практично необмежені. При роботі на водневому паливі може бути вирішена проблема токсичності відпрацьованих газів, тому що в результаті згоряння водню утворюється вода. Однак одержання водню зіткнулося з більшими енергетичними витратами, утруднені зберігання й транспортування водню. На сьгодняшній день вчені всього світу працюють над вирішенням цих проблем.

Поява конкурентоспроможних екологічно чистих машин, що працюють на паливних елементах і замість бензину споживаючих водень уже не за горами. Інженерам важливо швидше випустити «водневу» техніку на ринок, щоб можна було проводити тестування нової технології в умовах щоденної експлуатації. Втім, по оцінках експертів, перші роки три власники таких машин будуть відчувати деякі незручності, пов'язані з нестачею спеціальних запраповочних станцій і сервісних центрів.

Деяке застосування одержали електромобілі, головним чином для застосу-вання в міських умовах експлуатації. Вони безшумні й не забруднюють навколи-шнє середовище. Перешкодою їх широкого застосування є мала енергоємність акумуляторних батарей, їх громіздкість, що знижує вантажопідйомність автомобіля й запас ходу. Широке використання електромобілів стане можливим, коли енергоємність акумуляторних батарей буде підвищена в 5...10 раз. Сьогодні ми ще ближче до мети, розроблені суперсучасні іоно - літієві батареї, зупинка тільки за їхньою ціною.

Однак у недалекому майбутньому одержать розвиток двигуни нових типів. У першу чергу слід зазначити роботи зі створення адіабатного керамічного двигуна, що забезпечує високий термічний ККД завдяки температурі робочого процесу через мале випромінювання теплоти в навколишнє середовище. У таких двигунах система охолодження відсутня.

Газотурбінні двигуни (ГТД) у цей час не використовують на автомобілях, тому що їхня паливна економічність нижча, аніж у дизелів, однак у перспективі при застосуванні керамічних матеріалів може бути налагоджене виробництво авто-мобільних ГТД (при підвищенні температури згоряння витрата палива зменшується).

Трансмісії. Нові конструкції автоматизованих механічних коробок передач КП (автоматична коробка передач у якій передаточні числа змінюються безупинно й безступінчасто завдяки розсувним конічним шківам), квазі автоматичні коробки передач («Ізітронік» для перемикання передач використовують три крокові електродвигуни, що забезпечили швидке перемикання менш 300 мілісекунд і в шестеро менша вага, у порівнянні з автоматом).

Шасі. При зниженні маси легкового автомобіля на 50...70 кг може бути отримана економія палива на 2...3 %.

Для зниження маси автомобіля проводять роботи в трьох напрямках: пошук раціональних компонувальних схем; пошук раціональних форм деталей; застосування конструкційних матеріалів, що володіють малою щільністю при забезпеченні достатньої міцності.

Одним із широко розповсюджених у цей час компонувальних схем є компонування легкових автомобілів з переднім розташуванням двигуна й передніми провідними й керованими колесами. При такім компонуванні можна знизити масу автомобілі приблизно на 10%, трудомісткість на 13%, собівартість на 6%, при одночаснім поліпшенні стійкості й керованості, забезпеченні оптима-льного використання об’ємів автомобіля. Передньо приводне компонування набуло застосування для автомобілів малого, середнього й великого класів.

Для вантажних автомобілів оптимальним компонувальним рішенням, що дозволяють значно знизити масу, є розміщення кабіни над двигуном. Поряд зі скороченням бази приблизно на 30 % і поліпшенням використання габаритної площі при такім компонуванні може бути підвищена вантажопідйомність.

Як приклад створення раціональних форм деталей можна розглянути засто-сування листових ресор. При установці листів Т - подібного перетину, мало листо-вих і одно листових ресор із композитних матеріалів їх маса може бути знижена.

Найбільшою мірою маса залежить від щільності матеріалів. Масу автомо-білів у цей час у першу чергу визначає об’єм сталі й чавуну. Автомобільна промис-ловість — один з основних споживачів цих металів. Використання в автомобіле-будуванні легованих і низьколегованих сталей, а також алюмінію дозволяє значно знизити масу автомобілів. Відомо, що при застосуванні 1 кг алюмінію маса автомобіля знижується на 1 кг. Обговорюється технічна й економічна доцільність виготовлення деталей автомобілів з інших легких металів — магнію, титану.

Суттєво зменшується маса автомобіля при використанні пластмас. Крім зниження маси автомобіля, це забезпечує зменшення трудомісткості виготовлення деталей, підвищення їх корозійної стійкості, зменшення теплопровідності й ін. Пластмаси можуть бути як декоративними, так і конструкційними матеріалами для деталей, сприймаючих різні навантаження. Особлива увага приділяється композиційним матеріалам, які являють собою пластмаси, армовані волокнами різного виду (склопластики, вуглепластики, боропластики).

Армовані пластики мають щільність приблизно в 4 рази меншу, чому щільність стали, при рівній зі сталлю масою мають значно більші міцність і здатністю до поглинання енергії. Розширюється виготовлення з композиційних матеріалів ряду відповідальних деталей: ресор, карданних валів і ін. Уважаються, що термостійкість цих матеріалів може бути доведена до 2000 °С. Стримує застосування композиційних матеріалів їх висока вартість, яка повинна знижуватися в міру розширення їх виробництва.

Однак зменшення маси не є безумовною самоціллю тому що від зниження маси економічний ефект невеликий, економічний ефект за час експлуатації автомобіля залежить головним чином від надійності машини.

Порівняльні якості машин:

- питома маса автомобільного двигуна g = 2,5–9,5 (авіаційного 0,7–0,9)кг/квт;

- відношення маси конструкції до корисного вантажу, суден 20 – 30, залізниці 10 – 20, автомобілі 3 – 5, авіація 1,2 – 2,5.

Маса й металоємність поняття не рівнозначні.

Паливна економічність може бути знижена при раціональному виборі передаточних чисел трансмісії. Загальною тенденцією є збільшення числа щаблів коробки передач, що дозволяє в експлуатаційних умовах вибирати передачу, найбільш відповідну вимогам паливної економічності. Навіть на легкових автомобілях малого класу часто встановлюють пятиступінчаті коробки передач. Є підстави вважати, що в найближчому майбутньому число щаблів коробки передач легкових автомобілів буде збільшено.

На вантажних автомобілях установлюють коробки передач із числом щаблів від 5 до 24. Можливе використання для автомобілів однієї марки головних передач із різними передаточними числами. Перспективна автоматизація керування східчастими трансмісіями за допомогою мікропроцесорів. Знайдуть застосування автоматичні безступінчасті трансмісії.

Велике значення для зниження витрати палива має зменшення енергетичних втрат у шинах. Експериментально доведене, що зменшення опору коченню шин на 10 % дає економію палива в середньому, 3 %.

Кузов. Паливна економічність автомобіля у великому ступені залежить від аеродинамічного опорі кузова й автомобіля в цілому. Витрати потужності на подолання аеродинамічного опору пропорційні факторові обтічності й третьому ступеня швидкості автомобіля. Уже на швидкості близько 50 км/год. втрати потужності на аеродинамічний опір близькі до втрат потужності на опір коченню шин по твердій опорній поверхні. По експериментальним даним зниження витрат потужності на аеродинамічний опір на 10% дозволяє одержати економію 3%.

Безупинно поліпшуються аеродинамічні форми легкових автомобілів. Коефіцієнт обтічності перспективних легкових автомобілів С_х < 0,3. Є дослідні зразки легкових автомобілів, для яких С_х < 0,2.

Зниженню аеродинамічного опору вантажних автомобілів почали приділяти увагу тільки в останні роки. Особливе значення це має для автотранспортних засобів, що роблять міжміські перевезення, що й рухаються з більшими середніми швидкостями. Для поліпшення обтічності між кабіною й напівпричепом (фургоном) установлюють пластмасові обтічники. Одночасно із цим прагнуть надавати кузовам закруглені форми, без помітних виступів. Такі заходи дозволяють знизити витрата палива при русі зі швидкостями 70...80 км/год приблизно на 10%.

Маса кузова становить значну частину маси автомобіля, тому зниження маси кузова важливо для поліпшення паливної економічності. Найбільший ефект дає застосування пластмасових кузовів (автомобіль «Трабант») і окремих пластмасових деталей (капот, кришка багажника, буфер, лицювальні деталі й т.п.). У середньому маса деталей, виготовлених із пластмас, в 2 рази менше маси деталей, виготовлених зі сталі.

Вплив транспорту й забезпечення функціонування його інфраструктури на навколишнє середовище супроводжується значним її забрудненням. У якості основних видів впливу транспортно-дорожнього комплексу України можна відзначити забруднення атмосферного повітря токсичними компонентами відпрацьованих газів, двигунів транспортних засобів, викиди в атмосферу стаціонарних джерел забруднення, утворення виробничих відходів і вплив транспортного шуму.

Із транспортно-дорожнім комплексом пов'язані газоподібні, рідкі й тверді відходи, що потрапляють в атмосферу, підземні води й поверхневі водойми. У результаті спалювання органічного палива у двигунах транспортних засобів в атмосферу надходить значна кількість вуглекислого газу й шкідливих речовин свинцю, вуглеводнів, оксидів вуглецю, сірки й азоту.

За даними Держкомстату, щорічно близько 53% викидів забруднюючих речовинв атмосферу припадає на викиди транспортних засобів. Загальний обсягвикидів забруднюючих речовин автомобільним транспортом України складає 70% від усіх видів транспорту, або близько 40% загальної кількості антропогенного забруднення атмосфери.

Автотранспорт що перебуває в експлуатації у значнім числі випадків відповідає екологічним вимогам. Частка автомобілів, які не відповідають встановленим нормативам по токсичності й димності відпрацьованих газів становить 14,5%. В окремих регіонах число таких автомобілів суттєво більше: у Київській обл. 51 %, у Харківській - 43,8%, у Дніпропетровській обл. -33,8%.

Зниження токсичності відпрацьованих газів реалізується шляхом удосконалювання робочого процесу двигунів, зниження концентрації шкідливих компонентів у відпрацьованих газах (використання каталітичних нейтралізаторів і допалювачів), розробки нових двигунів, що працюють на альтернативних паливах (природний газ, бензин у суміші з воднем, синтетичні спирти, водень, метанол, використання електроенергії акумуляторних батарей і фотоелементів), підтримки раціональних режимів роботи, забезпечення справного технічного стану.

Питання для самоконтролю

1. Назвіть основні етапи проектування автомобіля.

2. Назвіть основні напрямки розвитку вантажних автомобілів, і чим вони викликані?

3. Назвіть основні напрямки розвитку легкових автомобілів, і чим вони викликані?

4. Назвіть основні напрямки розвитку кар'єрних великовантажних автомобілів, і чим вони викликані?