Юрий Долматовский - Беседы об автомобиле
Есть у малого колеса еще одно достоинство – его соответствие современному автомобильному двигателю.
Оно до некоторой степени компенсирует его быстроходность. Но об этом особый разговор.
Перечень причин, вынуждающих уменьшать колеса, не исчерпан. Есть еще такое понятие, как момент инерции вращающихся масс. Это значит, что чем больше масса колеса, тем труднее его «раскрутить» или затормозить. А от этого зависит и быстрота разгона автомобиля (и потребная для этого мощность!), и, значит, средняя скорость движения.
Разумеется, детали малого колеса должны быть прочными; с этим приходится считаться.
– Хоть все и привыкли уже к малым колесам, например на «Жигулях», все же трудно освободиться от убеждения в преимуществе больших.
– Глубокое заблуждение! Кстати, так думаете не только вы.
– Возможно. Но скорость! Ведь за каждый оборот малое колесо проходит и малый путь, значит, автомобиль движется медленнее, чем на больших колесах!
– Это не значит, что стриж должен летать медленнее вороны, потому что у той крылья больше?
Когда записывают в техническое задание на автомобиль определенную максимальную скорость, то исходят прежде всего из необходимости быстрейшей до
ставки пассажиров или груза. Но возможность обеспечить быструю доставку складывается из целого ряда факторов. Тут и способность человека безопасно управлять автомобилем на высокой скорости, и реальные дорожные условия, и расход топлива, и другие расходы, неизбежно возрастающие с увеличением скорости. На автомобиле можно достигнуть огромной скорости. Мировой рекорд превышает тысячу километров в час, гоночные автомобили развивают на отдельных участках трасс 300 и более, а в среднем по всей трассе – свыше 200 километров. Существует немало легковых автомобилей, в технической характеристике которых записана такая максимальная скорость, например ЗИЛ-117.
Но ни у одного автомобиля диаметр колес не увеличивали для достижения высокой скорости.
Определенная скорость достигается в том случае, если мощности двигателя достаточно, чтобы преодолеть сопротивление, которое испытывает при этой скорости автомобиль. А оно складывается из трех величин, и все они связаны с трением: между вращающимися и вообще движущимися частями механизмов (внутренние потери), между шинами и дорогой (сопротивление качению), между кузовом и частицами воздуха (сопротивление воздуха).
Внутренние потери механизмов, как известно из опыта, составляют около 1/10 передаваемой ими мощности, то есть до колес доходит около 9/10 мощности двигателя. Сопротивление качению увеличивается примерно в прямой зависимости от массы автомобиля, от скорости, от уменьшения давления в шинах, качества их поверхности и поверхности дороги; на низких скоростях на него затрачивается почти вся передаваемая колесам небольшая мощность, на высоких – около половины максимальной мощности. Остальное уходит на сопротивление воздуха, зависящее от размеров и формы автомобиля; оно тем больше, чем шире и выше кузов, чем больше завихрений воздушного потока вызывает движение машины.
Как видно, диаметр колес во всех этих расчетах не участвует. Он появляется только в тот момент, когда, подсчитав общее сопротивление, конструктор выбирает нужную мощность двигателя и узнает скорость вращения его вала, при которой эта мощность достигается. Короче, когда дело доходит до расчета передаточного числа трансмиссии, которое принято обозначать буквой «I».
Валы современных двигателей вращаются со скоростью шесть-семь и более тысяч оборотов в минуту. Если это вращение передавать на колеса того же ЗИЛ-117, то он разовьет скорость около тысячи километров в час! Куда уж тут увеличивать диаметр. Надо, наоборот, уменьшать его в несколько раз! Чтобы этого не делать, в трансмиссии между двигателем и колесами (в главной передаче заднего моста) предусматривают пару шестерен, редуктор, уменьшающий число оборотов в rº раз. Оно, это rº , равно частному от деления числа зубьев ведомой шестерни на число зубьев ведущей.
Кое-кто считает, что, введя в трансмиссию передачу, можно увеличить мощность, подводимую к колесам, как бы сделать автомобиль более мощным. Это неверно: передача изменяет не мощность, а усилие, подводимое к колесам. Так что никакие махинации с диаметром колес и числом зубьев шестерен не дают возможности увеличивать максимальную скорость.
Задача конструктора – еще на стадии компоновки машины согласовать все будущие элементы, от которых зависит ее нормальное движение: мощность двигателя, скорость вращения его вала, массу автомобиля, размеры и форму его кузова, характеристику шин, передаточное число главной передачи.
Вот тут-то и возникает необходимость в уточнении диаметра шин. Ведь уменьшая его в допустимых пределах, как бы увеличивают опять-таки передаточное число, тем самым получают возможность уменьшить его в главной передаче. А это очень важно. Дело в том, что число зубьев и размеры ведущей шестерни невозможно уменьшать беспредельно; обычно она имеет семь-десять зубьев (обязательно целое число, ползуба или четверть зуба для шестерни так же плохо, как и для человека). Чтобы уменьшить скорость вращения колес (увеличить rº ), конструктор вынужден увеличивать размеры ведомой шестерни, от этого уменьшается просвет между автомобилем и дорогой, ухудшается проходимость автомобиля.
Можно обеспечить автомобиле очень высокую максимальную скорость, но на практике – в уличном движении с частыми остановками, замедлениями хода, торможениям», разгонами – он окажется тихоходным, если не обеспечена так называемая динамика разгона. А она зависит, кроме момента инерции колес и других вращающихся частей, еще и от правильного подбора всех r (не только rº ) – передаточных чисел в трансмиссии.
Нужно помнить, что всякую повозку, будь то тачка или автомобиль, легко катить после разгона, но трудно сдвинуть с места и разогнать, так как действует инерция покоя. Сила двигателя рассчитана на движение автомобиля уже после разгона. А для разгона, при движении на подъем и по трудной грунтовой дороге силу двигателя умножают пары шестерен коробки передач. Иначе пришлось бы ставить на автомобиль очень мощный и тяжелый двигатель.
История техники знает автомобили без коробок передач. Была, например, машина «майбах» с таким сильным двигателем, что она могла тронуться с места, разогнаться и двигаться вплоть до максимальной скорости на одной и той же передаче. Но машина весила три тонны и расходовала более 30 литров бензина на 100 километров – втрое больше, чем обычный автомобиль.
Передач в коробке обычно четыре, иногда больше. У первой пары ведомая шестерня имеет примерно вчетверо больше зубьев, чем ведущая, то есть ведомая вращается вчетверо медленнее, но передает колесам вчетверо большую силу.
После недолгого разгона на первой передаче включают вторую (у нее передаточное число уже вдвое меньше). Потом еще более «быструю» – третью. Наконец, четвертую. Автомобиль, как по ступеням, достигает нужной скорости. Отсюда и названия коробок передач – четырехступенчатая, пятиступенчатая и т. д.
Для небыстрого движения по асфальту автомобилю требуется значительно меньшая сила тяги, чем он может развить даже на высшей передаче. Как говорят, автомобиль обладает запасом тяги, необходимым для движения на подъем, для обгона другого автомобиля.
На проселочной дороге дело несколько меняется. Незначительное отклонение от скорости, соответствующей наибольшему крутящему моменту двигателя, вызывает необходимость включать следующую перёдачу. Для движения по песку тяговой силы на высшей передаче вообще недостаточно, а на низших передачах движение возможно лишь с определенной скоростью.
Вот что заботит конструктора еще до того, как он встает за доску «кульмана» и наносит на бумаге первые линии будущего автомобиля.
– Что же изображают эти первые линии?
– Печка, от которой долгое время танцевали конструкторы – это колесная база.
Расстояние между колесами иной раз выбирали примерно так: у машин-конкурентов база находится в пределах, скажем, 2300-2450 миллиметров; прибавим еще полсотни! Чем больше база, тем лучше автомобиль!
С размером базы связаны главным образом пять качеств автомобиля – устойчивость, маневренность, плавность хода, удобства пассажирского помещения и проходимость по плохим дорогам. Но ни об одном из них нельзя сказать категорически: чем меньше или чем больше база, тем оно лучше.
Труднее всего разобраться в устойчивости автомобиля. Она зависит от многих факторов. Их так много, что даже на перечисление уйдет немало времени. Стоит ограничиться тремя самыми главными, которые связаны с действием боковых сил – центробежной силы на поворотах, силы ветра и поперечного уклона дороги. Они могут вызвать увод автомобиля с заданного направления, боковое скольжение (занос) и опрокидывание.
