12.2. Основні тенденції розвитку конструкцій автомобілів

Конструкції автомобілів безперервно 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 даний час стало одним з провідних напрямів сучасного автобудування Соціальними причинами обумовлена тенденція підвищення безпеки автомобілів Автомобіль— об'єкт підвищений ний небезпеці Тому необхідне вдосконалення активної і пасивної безпеки автомобіля Автомобіль є джерелом забруднення навколишнього середовища відпрацьованими газами (окисел вуглецю, оксиди азоту). Це визначає безперервне підвищення вимог екологічної безпеки автомобіля. Слід також відзначити тенденцію автоматизації управління автомобілем, яка забезпечується сучасними засобами електронної, мікропроцесорної техніки і направлена на підвищення паливної економічності і динаміки автомобіля (управління двигуном і трансмісією), активної безпеки (управління гальмівною системою), комфортабельності (управління підвіскою і ін.).

Автомобільний транспорт є одним з основних споживачів нафтового палива, тому в результаті енергетичної кризи 1973 р., що викликав різке підвищення вартості нафти (за порівняно короткий час вона виросла більш ніж в 20 разів), виникла необхідність у всіх країнах прийняти екстрені заходи по економії нафтового палива. Стосовно автомобільного транспорту були проведені директивні і конструктивні заходи.

Директивно у всіх країнах спочатку було введено обмеження максимальної швидкості руху, що дозволило понизити витрату палива і одночасно привело до деякого скорочення числа дорожньо-транспортних подій. Разом з цим директивно запропоновано прийняти заходи по зниженню витрати палива.

У ряді країн це привело до збільшення випуску автомобілів малого і особливо малого класів. Для виробництва вантажних автомобілів характерна тенденція збільшення випуску автомобілів великої вантажопідйомності і ширшого використання автопоїздів, що також дозволяє понизити витрату палива на одиницю транспортної роботи. Конструктивні заходи, направлені на зниження витрати палива, слід розглянути окремо для двигуна, шасі і кузова.

Двигун. В першу чергу треба відзначити розширення застосування дизелів, що дозволяють понизити витрату палива на 25...30 % (і більше при подальшому вдосконаленні робочого процесу дизеля, зокрема при використанні тур-бонаддува).

Робота по вдосконаленню робочого процесу бензинових двигунів проводиться в наступних напрямах: організація пошарового розподілу заряду в камері згорання, що дозволяє використовувати збіднені суміші; уприскування палива у всмоктуючий тракт; використання електронного управління дозуванням подачі палива і запаленням; застосування турбо наддуву. Комплексне використання перерахованих заходів може забезпечити зниження витрати палива 20 %.

Значна увага приділяється застосуванню нового вигляду палив — замінників нафтових палив. За останні роки ціна нафти на світовому ринку знизилася, проте світові запаси нафти ограничені, здобич нафти в малодоступних районах зв'язана з великими складнощами і витратами. Це неминуче повинно привести до зростання ціни на нафту, а потім до необхідності заміни нафті на інші види палива.

У наший країні перспективне широке застосування природних газів. Більш дальньою перспективою є використання як паливо для двигунів внутрішнього згорання водню, запаси якого практично неограничені. При роботі на водневому паливі може бути вирішена проблема токсичності відпрацьованих газів, оскільки в результаті згорання водню утворюється вода. Проте отримання водню зв'язане з великими енергетичними витратами, утруднено зберігання і транспортування водню. Стан проблеми таке, що навряд чи можна прогнозувати широке застосування водню до 2000 року.

Деякий розвиток отримують електромобілі, головним чином для міських умов експлуатації. Вони безшумні і не забруднюють навколишнє середовище. Перешкодою до їх широкого застосування є мала енергоємність акумуляторних батарей, їх громіздкість, що знижує вантажопідйомність автомобіля і запас ходу. Широке використання електромобілів стане можливим, коли енергоємність акумуляторних батарей буде підвищена в 5... 10 разів.

До цього слід додати, що розгляд різних способів використання первинних джерел енергії (кам'яного вугілля, нафти і т. п.) дає підстава стверджувати, що найменш економічним є їх використання на електромобілі.

Мабуть, в недалекому майбутньому отримають розвиток двигуни нових типів. В першу чергу слід зазначити роботи із створення адіабатного керамічного двигуна, що забезпечує високий термічний ККД завдяки високій температурі робочого процесу із-за малого випромінювання теплоти в навколишнє середовище. У таких двигунах система охолоджування відсутня.

Газотурбінні двигуни (ГТД) в даний час не використовують на автомобілях, оскільки їх паливна економічність нижча, ніж у дизелів, проте в перспективі при застосуванні керамічних матеріалів може бути налагоджене виробництво автомобільних ГТД (при підвищенні температури згорання витрата палива зменшується).

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

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

Одним з широко поширених в даний час компонувальних рішенні є компоновка легкових автомобілів переднім розташуванням двигуна і передніми ведучими і керованими колесами. При такій компоновці можна понизити масу автомобіля приблизно на 10 %, трудомісткість на 13 %, собівартість на 6 % при одночасному поліпшенні стійкості і керованості, забезпеченні оптимального використання об'ємів автомобіля. Передньопривідна компоновка отримала застосування для автомобілів малого, середнього і великого класів.

Для вантажних автомобілів оптимальним компонувальним рішенням, що дозволяє значно понизити масу, є розміщення кабіни над двигуном. Разом з скороченням бази приблизно на 30 % і поліпшенням використання габаритної площі при такій компоновці може бути підвищена вантажопідйомність.

Як приклад створення раціональних реформ деталей можна розглянути застосування листових ресор. При установці листів Т-подібного перетину, мало листових і однолистових ресор їх маса може бути понижена.

Найбільшою мірою маса залежить від щільності матеріалів. Масу автомобілів в даний час в першу чергу визначає об'єм стали і чавуну. Автомобільна промисловість — один з основних споживачів цих металів. Використання в автомобілебудуванні легованих і низьколегованих сталей, а також алюмінію дозволяє значно понизити масу автомобілів. Відомо, що при застосуванні 1 кг алюмінію маса автомобіля знижується на 1 кг Обговорюється технічна і економічна доцільність виготовлення деталей автомобілів з інших легких металів — магнію, титану.

Істотно зменшується маса автомобіля при використанні пластмас. Крім зниження маси автомобіля, це забезпечує зменшення трудомісткості виготовлення деталей, підвищення їх корозійної стійкості, зменшення теплопровідності і ін. Пластмаси можуть бути як декоративними, так і конструкційними матеріалами для деталей, що сприймають різні навантаження. Особлива увага приділяється композиційним матеріалам, які є пластмасами, армованими волокнами різного вигляду (склопластики, вуглепластики, боропластики).

Армовані пластики мають щільність приблизно в 4 рази меншу, ніж щільність стали, при рівною із сталлю масою володіють значно великою міцністю і здібністю до поглинання енергії. Розширюється виготовлення з композиційних матеріалів ряду відповідальних деталей: ресор, карданних валів і ін. Вважають, що термостійкість цих матеріалів може бути доведена до 2000 °С. Стримує застосування композиційних матеріалів їх висока вартість, яка повинна знижуватися у міру розширення їх виробництва.

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

На вантажних автомобілях встановлюють коробки передач з числом ступенів від 5 до 24. Можливе використання для автомобілів однієї марки головних передач з різними передавальними числами. Перспективна автоматизація управління ступінчастими трансмісіями за допомогою мікропроцесорів. Знайдуть застосування автоматичні безступінчаті трансмісії.

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

Кузов. Паливна економічність автомобіля у великій мірі залежить від аеродинамічного опору кузова і автомобіля в цілому. Витрати потужності на подолання аеродинамічного опору пропорційні чиннику обтічності і третього ступеня швидкості автомобіля. Вже на швидкості близько 50 км/г втрати потужності на аеродинамічний опір близькі до втрат потужності на опір коченню шин по твердій опорній поверхні. За експериментальними даними зниження витрат потужності на аеродинамічний опір на 10 % дозволяє отримати економію палива 3 %.

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

Зниженню аеродинамічного опору вантажних автомобілів почали приділяти увагу тільки останніми роками. Особливе значення це має для автотранспортних засобів, що здійснюють міжміські перевезення і рухомих з великими середніми швидкостями. Для поліпшення обтічності між кабіною і напівпричепом (фургоном) встановлюють пластмасові обтічники. Одночасно з цим прагнуть додавати кузовам закруглені форми, без помітних виступів. Такі заходи дозволяють понизити витрату палива при русі з швидкостями 70...80 км/г приблизно на 10%.

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