Напрями розвитку агрегатів, механізмів та систем 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 нині стало одним з провідних напрямів сучасного автобудування Соціальними причинами обумовлена тенденція підвищення безпеки автомобілів. Автомобіль - об'єкт підвищеної небезпеки. Тому потрібне вдосконалення активної і пасивної безпеки автомобіля. Автомобіль є джерелом забруднення довкілля газами (окисел вуглецю, оксиди азоту), що відпрацювали. Це визначає безперервне підвищення вимог екологічної безпеки автомобіля. Слід також відмітити тенденцію автоматизації управління автомобілем, яка забезпечується сучасними засобами електронної, мікропроцесорної техніки і спрямована на підвищення паливної економічності і динаміки автомобіля (управління двигуном і трансмісією), активній безпеці (управління гальмівною системою), комфортабельності (управління підвіскою та ін.).

Паливна економічність. 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 більше ніж в 20 разів), виникла необхідність в усіх країнах вжити екстрені заходи по економії нафтового палива. Стосовно автомобільного транспорту були проведені директивні і конструктивні заходи.

Директивно в багатьох 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 вжити заходи по зниженню витрати палива. Згідно глобальної програми ООН по економії палива (Global Fuel Ekonomy Initiative- GFEI ) запущеної 04 березня 2009 року, поставлені вимоги по ефективній економії палива та зниженні глобального споживання палива на 50% (до 4 л/100 км для легкових автомобілів). Це дає змогу знизити викиди СО₂ щорічно більш ніж 1 гегатону(Гт) до 2025 року і більш ніж 2 Гт до 2050 року, а також щорічно економити на імпорту нафти більш ніж 300 млд. доларів США у 2025 році і 600 млд. у 2050 році (прицінах на нафту 100 доларів за барель).

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, спрямовані на зниження витрати палива, слід розглянути окремо для двигуна, шасі і кузова.

Значна увага приділяється застосуванню нових видів палив - замінників нафтових палив. За останні роки ціна нафти на світовому ринку знизилася, проте світові запаси нафти ограниченны, видобуток нафти в малодоступних районах зв'язаний з великими складнощами і витратами. Це неминуче повинно привести до росту ціни на нафту, а потім до необхідності заміни нафти на інші види палива.

У нашій країні перспективне широке застосування природних газів. Дальшою перспективою є використання в якості палива для двигунів внутрішнього згорання водню, запаси якого практично невичерпані. При роботі на водневому паливі може бути розв'язана проблема токсичності газів, що відпрацювали, оскільки в результаті згорання водню утворюється вода. Проте отримання водню зв'язане з великими енергетичними витратами, ускладнено зберігання і транспортування водню. Стан проблеми такий, що навряд чи можна прогнозувати широке застосування водню до 2000 року.

Двигун. В першу чергу потрібно відмітити 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 наддування. Комплексне використання перерахованих заходів може забезпечити зниження витрати палива до 20 %.

Деякий розвиток отримують електромобілі, головним чином для міських умов експлуатації. Вони безшумні і не забруднюють довкілля. 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 основу 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 довкілля. У таких двигунах система охолодження відсутня.

Газотурбінні двигуни (ГТД) нині 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 мають малу щільність при забезпеченні достатньої міцності.

Одним з широко поширених нині компонувальних рішенні являється компонування легкових автомобілів переднім розташуванням двигуна і передніми ведучими і керованими колесами. При такому компонуванні 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. Передньопривідне компонування отримало 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 із скороченням бази приблизно на 30 % і поліпшенням використання габаритної площі при такому компонуванні може бути підвищена вантажопідйомність.

В якості прикладу створення раціональних реформ деталей можна розглянути застосування листових ресор. При установці листів Т-подібного перерізу, мало листових і одно-листовых ресор їх маса може бути понижена.

Найбільшою мірою маса залежить від щільності матеріалів. Масу автомобілів нині в першу чергу визначає об'єм сталі 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.

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

В якості прикладу створення раціональних реформ деталей можна розглянути застосування листових ресор. При установці листів Т-подібного перерізу, мало листових і одно-листовых ресор їх маса може бути понижена.

Найбільшою мірою маса залежить від щільності матеріалів.

Істотно зменшується маса автомобіля при використанні пластмас. Окрім зниження маси автомобіля, це забезпечує зменшення трудомісткості виготовлення деталей, підвищення їх корозійної стійкості, зменшення теплопровідності та 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 виду (склопластики, вуглепластики, боропластики).

Армовані пластики мають щільність приблизно в 4 рази меншу, ніж щільність сталі, при рівну із сталлю масу мають значно великою міцністю і здатністю до поглинання енергії. Розширюється виготовлення з композиційних матеріалів ряду відповідальних деталей : ресор, карданних валів та 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 кількості ступенів коробки передач, що дозволяє в експлуатаційних умовах вибирати передачу, що найбільш відповідає 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 східців 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 великою мірою залежить від аеродинамічного опору кузова і автомобіля в цілому. Витрати потужності на подолання аеродинамічного опору пропорційні чиннику обтічності і третьої міри швидкості автомобіля. Вже на швидкості близько 50 км/год 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 покращуються 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 рухаються з великими середніми швидкостями. Для поліпшення обтічності між кабіною і напівпричепом (фургоном) встановлюють пластмасові обтічники. Одночасно з цим прагнуть надавати кузовам закруглені форми, без помітних виступів. Такі заходи дозволяють понизити витрату палива при русі зі швидкостями 70...80 км/год приблизно на 10%.

Маса кузова складає значну частину маси автомобіля, тому зниження маси кузова важливе для поліпшення паливної економічності. Найбільший ефект дає застосування вуглепластикових кузовів 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.

Застосування в легковому автомобілі Koenigsegg Agera R кузова виготовленого з кевлара і карбону дозволила знизити його масу до 70 кг.