Особенности схем компоновок автотранспорта

Денис Журавлёв (ЮСИ-311)

Особенности схем компоновок автотранспорта

Компоновочные схемы.

Компоновочная схема автомобиля определяется прежде всего относительным расположением двигателя и ведущих колес и определяет размеры автомобиля, его массу, распределение осевых нагрузок на дорогу, комфорт пассажиров, устойчивость движения.

Основными компоновочными схемами являются: классическая (рис.1,а), когда двигатель расположен впереди, а ведущими колесами являются задние; заднеприводная (рис. 1,б), с задним расположением двигателя; переднеприводная (рис. 1, б), с передним расположением двигателя.

Классическая схема компоновки. Более полувека большинство легковых автомобилей компоновалось по классической схеме. В процессе ее развития усилия конструкторов были направлены на уменьшение высоты автомобиля и смещение пассажирского помещения вперед, в зону комфорта.

Рис.1 Основные компоновочные схемы

Введение независимой передней подвески, что было обусловлено требованиями повышения устойчивости автомобиля, внесло коррективы в классическую схему. Оказалось возможным распределять осевые нагрузки по мостам поровну, что значительно улучшило комфортабельность и устойчивость автомобиля. Кроме того, появилась возможность снизить высоту центра тяжести автомобиля за счет приближения двигателя к поверхности дороги без уменьшения дорожного просвета.

Сдвиг кузова вперед сопровождался перемещением двигателя вперед вместе с первым рядом сидений, что стало возможным с уменьшением его массы и длины. Создание V-образных двигателей позволило еще более улучшить возможности компоновки по классической схеме за счет сдвига заднего сиденья вперед от оси задних колес в так называемую зону комфорта, т. е. внутрь базы.

Однако в результате совершенствования классической схемы уже нельзя было получить равномерного распределения осевых нагрузок, что не могло отрицательно не сказаться на проходимости, управляемости и устойчивости автомобиля. Применение же независимых подвесок на задних колесах или уменьшение нагрузки на передние колеса за счет переноса коробки передач назад и объединения ее в один блок с главной передачей несколько улучшает названные свойства автомобиля, однако это усложняет конструкцию задней подвески.

Отличительной особенностью классической компоновки является значительная общая длина автомобиля, что сказывается на массе автомобиля, которая непосредственно влияет на себестоимость, топливную экономичность и динамику автомобиля.

К недостаткам классической схемы следует отнести наличие туннеля для карданного вала, что ухудшает условия размещения пассажиров на заднем сиденье, а также их вход в автомобиль и выход из него.

К преимуществам классической схемы компоновки можно отнести следующие: простоту конструкции передней подвески, возможность установки двигателя большей длины, простоту изоляции салона от шума двигателя, равномерное изнашивание шин, а также высокую эффективность отопления в результате наличия коротких воздушных и водяных тепловых трасс, эффективное охлаждение двигателя благодаря расположению радиатора в передней части автомобиля, возможность получить просторный богажник, простоту привода переключения передач и др. Кроме того, при полной загрузке автомобиля основная нагрузка приходится на ведущие задние колеса, что важно для автомобилей-фургонов, пикапов.

Заднеприводная схема компоновки с задним расположением двигателя. Поиск компоновочных схем, обеспечивающих наиболее высокие потребительские качества автомобиля, привел к созданию заднеприводных автомобилей с двигателем, расположенным сзади. Появление такой компоновки предопределило создание общего силового агрегата, в который входили бы двигатель, сцепление, коробка передач и главная передача при разрезной задней ведущей оси. Расположение двигателя сзади позволило улучшить обзорность, уменьшить базу и габаритные размеры автомобиля, повысить его маневренность при снижении массы. При переднем свесе обычной длины автомобиль с задним расположением двигателя короче автомобиля, сконструированного по классической схеме компоновки, на 10 %. Стоимость его меньше, пассажиры располагаются в зоне комфорта.

К преимуществам заднеприводной схемы компоновки с задним расположением двигателя, кроме упомянутых выше, можно также отнести: простоту конструкции передней подвески, возможность разгона на мокрой дороге, при гололеде и на подъеме, а также отсутствие туннеля в основании кузова. Однако опыт эксплуатации автомобилей показал, что данная схема компоновки имеет и ряд существенных недостатков, практически почти не устранимых. Основные из них следующие: излишняя поворачиваемость и неустойчивость движения на поворотах и при прямолинейном движении из-за значительной перегрузки задних колес и шин, ограниченные размеры багажника, сложность коммуникаций между механизмами управления и силовым агрегатом, плохая управляемость при гололеде в связи с малой нагрузкой передних колес, повышенная чувствительность автомобиля к действию бокового ветра и др.

Переднеприводная схема с передним расположением двигателя. Большинство автомобилей, выпускаемых в настоящее время, выполнены по переднеприводной схеме с передним расположением двигателя. Такие автомобили выпускаются во всех класах — от особо малого до высшего.

Объясняется это прежде всего возможностью значительного улучшения устойчивости автомобиля. Автомобилям с передним приводом свойственна «недостаточная» поворачиваемость, так как на передние колеса приходится значительно большая нагрузка, чем на задние и, кроме того, передние, а не задние колеса работают в ведущем режиме. Автомобиль этого типа, двигаясь с высокими скоростями по прямой траектории, не требует частого воздействия водителя на рулевое колесо для сохранения прямолинейного движения.

При приводе на передние колеса автомобиль менее склонен к заносу на поворотах и на скользком дорожном покрытии и, кроме того, занос легко предотвращается увеличением тягового усилия, т. е. за счет увеличения скорости движения; автомобиль, сконструированный по переднеприводной схеме, по сравнению с автомобилем с задним приводом примерно в два раза менее чувствителен к воздействию бокового ветра.

Проходимость автомобиля с передним приводом при движении по мягким грунтам выше, чем автомобиля с задним приводом (передние колеса, накатываясь в ведущем режиме на препятствие, легко преодолевают его, в то время как в ведомом режиме они или деформируют грунт, если он мягкий, или просто упираются в него, сжимая шину). Задние колеса, двигаясь в ведомом режиме, идут по уплотненной колее передних.

В производстве переднеприводная схема компоновки автомобиля дает возможность снижать его массу или материалоемкость на 6...10 % (максимальное уменьшение массы обеспечивается при поперечном расположении двигателя). Этому способствует сокращение общей длины автомобиля, исключение из его конструкции карданного вала, использование менее металлоемкого заднего моста, объединение в один блок главной передачи и коробки передач. Номенклатура деталей переднеприводного автомобиля также сокращается. Кроме того, при поперечном расположении двигателя конические шестерни главной передачи заменяют цилиндрическими, благодаря чему снижается трудоемкость их изготовления, устраняется необходимость в регулировке при сборке на заводе и в эксплуатации. Более того, при поперечном расположении двигателя и отказе от конических шестерен можно использовать общую смазочную систему для коробки передач и главной передачи.

Конструирование автомобиля по переднеприводной схеме компоновки сдерживалось отсутствием долговечной конструкции карданных шарниров передних ведущих и управляемых колес, а также неудачным распределением нагрузки между передними ведущими (45 %) и задними (55 %) колесами, связанным с сохранением компоновки пассажирского салона по образцу салона автомобиля, созданного по классической схеме компоновки. Вследствие этого при полной загрузке салона ухудшалась проходимость автомобиля, особенно во время преодоления скользких подъемов.

Поворотным моментом в области производства переднеприводных автмобилей стал выпуск в 1959 г. английского автомобиля «Morris Mini» с поперечным расположением двигателя. Однако двигатель был сдвинут вперед для увеличения нагрузки на передний мост. При этой компоновочной схеме удалось настолько продвинуть вперед передний ряд сидений, что второй ряд можно было разместить в зоне комфорта при базе автомобиля 2030 мм. Такой автомобиль оказался короче, например, автомобиля «Москвич-407» — на 1200 мм при уменьшении длины пассажирского помещения всего на 100 мм, а багажного отделения примерно на 400 мм. Осевые нагрузки автомобиля в снаряженном состоянии распределялись следующим образом: 60 и 40 %.

Для автомобилей с передним приводом одни фирмы выбирали схему компоновки с поперечным расположением двигателя, другие — с двигателем, расположенным по оси автомобиля. Первая обеспечивала получение всех преимуществ от применения переднего привода, вторая — лишь улучшение ходовых качеств автомобиля и комфорта для пассажиров. Ведущие зарубежные фирмы в основном приняли более рациональную компоновку — с поперечным расположением двигателя. Наиболее современными в компоновочном отношении являются автомобили «Audi 50», «Ford Fista», «Fiat 127» и «Volkswagen Polo» с поперечным расположением двигателя. Распределение нагрузки осевых нагрузок этих автомобилей составляет 61 и 39 %. По такой же схеме выполнены и автомобили ВАЗ-2108 и ЗАЗ-1102.

Наибольший эффект переднеприводная компоновочная схема дает при использовании ее для автомобилей особо малого и малого классов. И если для легковых автомобилей особо малого, малого и среднего классов привод на передние колеса безусловно целесообразен, для автомобилей большого класса он только повышает безопасность движения и удобство размещения пассажиров на задних сиденьях.

Автомобили с приводом на задние колеса необходимы прежде всего для эксплуатации на плохих дорогах, где требуется повышенная защита от повреждения главной передачи неразрезным мостом, а также когда переменная загрузка кузова изменяет нагрузку на ведущие колеса, т. е. для автомобилей-фургонов, пикапов и др.

Весовые параметры

Осевые нагрузки. Такие качества автомобиля, как управляемость и устойчивость, проходимость и плавность хода зависят от распределения осевых нагрузок на дорогу.

На легковых автомобилях в ненагруженном состоянии распределение осевых нагрузок зависит в первую очередь от типа привода: при расположении двигателя в задней части автомобиля увеличивается задняя осевая нагрузка, а в переднеприводных — передняя. В табл. 1 приведены средние значения распределения осевых нагрузок и зависимость их от загруженности автомобиля.

Как видно из табл. 1, вес двух человек, находящихся на передних сиденьях, почти не влияет на распределение осевых нагрузок автомобиля переднеприводной схемы компоновки.

Табл. 1. Средние значения распределения осевых нагрузок на дорогу для различных схем компоновки и нагрузочных состояний автомобилей, %

При полной загрузке автомобиля на распределение осевых нагрузок влияют размеры и расположение багажника, т. е. задний свес. Чтобы не ухудшались динамические качества автомобиля и его способность преодолевать подъемы в зимних условиях, относительное разгружение передних колес должно быть незначительным.

При классической схеме компоновки вес двух человек, сидящих на передних сиденьях, практически не меняет распределение осевых нагрузок на дорогу ненагруженного автомобиля, при котором на передние колеса приходится 48...56 % веса автомобиля и

44...52 % — на задние. Можно считать, что при максимальном нагружении относительно легких автомобилей происходит увеличение задней осевой нагрузки на дорогу на 3...10 % (и, соответственно, такое же уменьшение передней осевой нагрузки), так что в среднем приходится 43 % веса автомобиля на переднюю ось и 57 % — на заднюю.

Более тяжелые легковые автомобили менее чувствительны к нагрузке, распределение осевых нагрузок у них изменяется примерно на 4 %.

В связи с уменьшением нагрузки от переднего моста при максимальной загрузке автомобиля ранее на автомобилях среднего класса стремились увеличить нагрузку на дорогу от передних колес ненагруженного автомобиля (до 56 % веса автомобиля), но такие автомобили имеют на заднем мосту всего 44 % веса автомобиля, что не обеспечивает ни проходимости, ни хорошей управляемости на скользких дорогах зимой и летом.

В настоящее время осевые нагрузки у автомобилей с классической схемой компоновки стремятся распределять по 50 % веса автомобиля в ненагруженном состоянии, что улучшает устойчивость и управляемость автомобиля при частичной нагрузке.

Предел, который в настоящее время может быть принят для классической схемы компоновки — 53 % нагрузки на передний мост в ненагруженном состоянии.

В автомобилях с задним расположением двигателя осевые нагрузки с точки зрения обеспечения безопасности движения распределяются хуже.

Характеристики масс. Значения сухих масс легковых автомобилей в зависимости от их принадлежности к соответствующим классам и группам.

Масса снаряжения (топлива, воды, масла, запасного колеса, инструмента и дополнительного оборудования) равна примерно 10 % сухой массы автомобиля.

При определении полной массы автомобиля принимают массу водителя или пассажира равной 75 кг, массу багажа — 10 кг на одного человека.

Снижение массы новых отечественных легковых автомобилей достигнуто за счет применения переднеприводной схемы компоновки и широкого использования более легких материалов. Автомобиль ВАЗ-2108 почти на 100 кг легче ранее выпускавшихся моделей благодаря увеличению применения пластмасс с 6 до 8 %, а к 2000 году планируется до 14... 15 %.

Большая доля массы автомобиля приходится на кузов. Широко используемые низкоуглеродистые стали уже исчерпали свои возможности ввиду низких прочностных свойств. Использование высокопрочных сталей позволяет уменьшить толщину листа и тем самым снизить массу конструкции. Все шире применяются двухфазные стали с использованием алюминия, особенно для навесных частей кузова (дверей, капота и др.).

Общая компоновка автомобиля.

Общие сведения

Правильный выбор геометрических параметров автомобиля имеет первостепенное значение: от того, насколько верно выбраны внутренние размеры салона, зависит удобство и возможность размещения водителя и пассажиров; наружные геометрические параметры существенно влияют на экономичность автомобиля.

Документом, регламентирующим

описание геометрических параметров автомобиля, за рубежом является рекомендация SAE J1100 ОСТ 79 (США) «Размеры автомобилей».

В нашей стране действует ГОСТ 22748 «Автомобильный подвижной состав. Номенклатура основных наружных размеров. Методы измерений», а также РД 37.001.003, регламентирующий номенклатуру показателей рабочего места водителя.

Общую компоновку автомобиля обычно начинают с планировки салона, и в первую очередь с организации рабочего места водителя и размещения пассажиров.

Организация рабочего места водителя и размещение пассажиров.

При проектировании рабочего места водителя применяют двухмерные плоские манекены. Процесс размещения водителя, рулевого колеса, педалей и панели приборов легкового автомобиля в основном аналогичен грузовому автомобилю (см. «Анализ компоновочных схем автомобиля»). Основным нормативным документом при проектировании рабочего места водителя является РД 37.001.003, устанавливающий эргономические требования к относительному расположению основных элементов рабочего места водителя (сиденье, рулевое колесо, педали управления).

Высоту подушки сиденья (в сжатом состоянии под действием силы тяжести водителя) над уровнем пола выбирают на основании опыта и изучения автомобилей-аналогов, на которых посадка была признана удобной, но эта высота не должна быть менее 100 мм. Положение педалей регламентировано ГОСТ 24350.

Размещение пассажира, сидящего на заднем сиденье, аналогично размещению водителя с той лишь разницей, что в этом случае необходимо обеспечить зазор между голенью пассажира и контурной линией задней стороны сиденья водителя.

Высота автомобиля

Для построения контурной линии Крыши на чертеже из точки Я под углом 8° к вертикали вне зависимости от выбранного угла наклона спинки сиденья проводят прямую линию. Отложив минимальное допустимое расстояние от точки Н до внутренней обивки 860 мм и прибавив общую толщину крыши, равную 15...25 мм, можно найти допустимую высоту кузова в рассматриваемом месте поперечного сечения. Из-за выгиба крыши его контурная линия в плоскости симметрии автомобиля должна находиться выше найденных точек для водителя и пассажира, сидящего сбоку на заднем сиденьи, на 20...40 мм в зависимости от формы кузова.

Полученные две или три точки соответственно для кузова с двумя или тремя рядами сидений позволяют построить контурную линию крыши.

Уменьшение высоты автомобиля для снижения центра тяжести и лобовой площади ограничивается дорожными просветами, которые в некоторых автомобилях достигают 145 мм.

Дорожные просветы у всех отечественных легковых автомобилей больше, чем у их зарубежных аналогов. Это определяет лучшую проходимость отечественных автомобилей при движении по неровным и грунтовым дорогам.

Таким образом, имея контурную линию крыши и выбранный дорожный просвет, находят положение линии поверхности дороги и габаритную высоту автомобиля.

Определение положения осей колес.

Проектное положение осей колес по высоте относительно линии пола определяется намеченной ранее линией поверхности дороги и статическим радиусом шин. Положение осей колес в первую очередь зависит от желаемого распределения осевых нагрузок на дорогу от автомобиля с полной нагрузкой и с одним водителем и от размещения кожухов колес в кузове автомобиля.

Кожухи передних колес по возможности не должны выступать за линии перегородки моторного отсека и наклонной панели пола, чтобы не ухудшать условий размещения педалей и удобство посадки пассажира на переднем сиденьи.

Расположение оси задних колес по длине автомобиля выбирают так, чтобы кожухи задних колес по возможности располагались за спинкой заднего сиденья. При недостаточном расстоянии от спинки заднего сиденья до оси задних колес кожухи задних колес могут оказаться причиной уменьшения ширины заднего сиденья и ухудшения его внешнего вида.

Выбор колеи для передних и задних колес.

Колею задних колес устанавливают исходя из ширины кузова и профиля шины. Для защиты колес от забрызгивания необходимо, чтобы колесо перекрывалось крылом (или бортом кузова) не менее чем на 40...50 мм.

Переднюю колею обычно принимают равной или почти равной задней колее. Ширину передней колеи уточняют в процессе компоновки с учетом радиуса поворота автомобиля, размера шин и ширины рамы в передней части, определяемой расположением силового агрегата и рулевого механизма. Это одна из наиболее трудоемких компоновочных работ.

Размещение двигателя.

При компоновке автомобиля целесообразно максимально сокращать габаритные размеры моторного отделения, стараясь за счет этого увеличить размеры пассажирского помещения и багажника. Наименьшую длину имеют V-образные двигатели, которые целесообразно устанавливать вне базы автомобиля (впереди), что значительно уменьшает длину кузова. При такой установке двигателя возрастает нагрузка на передний мост, что желательно при переднем приводе, если учесть необходимость увеличения сцепного веса автомобиля.

В случае классической компоновочной схемы при расположении V-образного двигателя впереди более выгодно распределяются нагрузки по мостам, а также появляется возможность приблизить передний ряд сидений к оси передних колес за счет уменьшения длины моторного отделения. V-образный двигатель короче рядного примерно на 20 % при одинаковых числе цилиндров и рабочих объемах.

Рядный двигатель хорошо размещать впереди, частично — внутри базы (над передним мостом). Установка двигателя вне базы вызывает необходимость увеличения свеса и расположения радиатора (при водяном охлаждении) рядом с двигателем. Однако такие конструкции при переднем приводе стали получать все большее распространение.

При невозможности поперечной установки двигателя из-за его большой длины и малой колеи передних колес двигатель располагают над трансмиссией, т. е. как бы на втором этаже. При этом масляные ванны обоих механизмов совмещают или оставляют разделенными, а двигатель и коробку передач соединяют специальной шестеренной передачей.

Поперечному расположению силового агрегата при последовательном соединении двигателя, сцепления и коробки передач обычно сопутствуют неодинаковые по длине правая и левая полуоси. Поскольку допустимые постоянные углы наклона карданного шарнира не должны превышать 10°, исходя из условий изменения хода полуоси в узле дифференциала, короткая полуось регламентирует подъем соответствующего колеса. Кроме того, относительно малое перемещение колеса делает подвеску менее комфортабельной.

Аккумуляторную батарею располагают по возможности ближе к стартеру, чтобы уменьшить падение напряжения в проводе при пуске двигателя, а место установки ее должно обеспечивать удобный доступ для проверки состояния и обслуживания батареи.

На автомобилях с передним расположением двигателя топливный бак обычно размещают в передней части багажника за спинкой заднего сиденья или сзади под полом багажника. Это делается, с одной стороны, по соображениям пожарной безопасности, а с другой, чтобы избежать перегрузки колес переднего моста.

Запасное колесо обычно размещают в багажнике. Место расположения запасного колеса выбирают с учетом формы багажника, размеров колеса и размещения топливного бака.

Полезный объем багажника с установленным запасным колесом должен быть компактным. Он должен быть рассчитан для размещения крупных вещей и чемоданов.

Внешняя форма автомобиля.

При проектировании автомобиля важным этапом является выбор его формы. Основными тенденциями в формообразовании и стиле кузовов современных легковых автомобилей являются: обобщение и упрощение формы, исключение второстепенных деталей, соответствие требованиям аэродинамики, относительное увеличение площади остекления, увеличение размеров светотехнических приборов. Новые конструктивно-стилевые направления в развитии кузовов должны обеспечивать возрастающие требования безопасности, улучшать аэродинамические показатели и повышать устойчивость движения автомобиля.

На рис. 2 показана эволюция изменения формы кузова легкового автомобиля. Форма моделей 20-х годов (рис. 2, а) быстро менялась — появился кузов закрытого типа, моторная часть органически соединялась с пассажирским салоном. Значительное влияние на форму кузова в 30-е годы оказала возросшая скорость движения (рис. 2,б), передние стойки на всех автомобилях наклонились.

На всех этапах автомобилестроения форма кузова во многом определялась технологическими возможностями. Благодаря использованию глубокой штамповки кузова до 1939 г. имели выпуклые формы (рис. 2, в).

Рис. 2. Эволюция изменения формы автомобиля

На стыке 30—40-х годов уделяется внимание композиционной целостности и изяществу формы. Внешне форма автомобиля упростилась, но в художественном отношении стала более утонченной.

Важной вехой в истории легкового автомобилестроения было уменьшение дорожного просвета и общей высоты кузова, что можно считать окончательной фазой формирования композиционных основ кузовов современных автомобилей. Кроме того, форма кузова должна была удовлетворять требованиям аэродинамики (рис. 2, г). Примером может служить каплевидный кузов автомобиля «Победа».

В последние годы получила распространение так называемая «понтонная» (ступенчатая) форма кузова: отсек двигателя, пассажирский салон, багажник (рис. 2, д).

Автомобили с кузовами типа универсал (семейные автомобили) выпускают практически все зарубежные

фирмы (рис. 2, е). Вагонная компоновка (рис. 2, е) автомобилей в настоящее время встречается редко, хотя по использованию объема кузова она является наиболее выгодной.

Учет социальных требований и аэродинамики, тенденция к максимальному использованию объема пассажирского салона привели к появлению кузовов клиновидной формы с бесступенчатой задней и заостренной передней частью (рис. 2, з) типа «фастбек». Опускающийся капот обеспечивает хорошую обзорность водителю и способствует улучшению аэродинамических свойств автомобиля. Развитая задняя часть кузова позволяет создать багажник, сравнительно просто превращаемый в грузовое помещение.

Разновидностью кузова этого типа является кузов типа «хэтчбек» с дверью, расположенной в торце автомобиля. Такие автомобили в настоящее время наиболее популярны, особенно особо малого и малого классов.

Новая модель отечественного легкового автомобиля малого класса — ВАЗ-2108 с двухобъемным кузовом типа «хэтчбек» имеет ярко выраженную клиновидную форму с мягкими переходами, отрицательным углом наклона решетки радиатора, резко «падающим» капотом.

Поиски лучших форм кузовов происходят непрерывно. Так, в легковом автомобиле «Росег» американского концерна АМС сочетается использование клиновидной передней части и каплевидной задней части кузова (рис. 2, и).

Ведутся исследования по созданию проекта идеальной аэродинамической формы кузова автомобиля среднего класса (рис. 2, к).

Кузова подобной формы в дальнейшем, возможно, послужат основой для создания новых типов, обладающих отличными аэродинамическими свойствами, увеличенным объемом, в частности, за счет некоторого увеличения высоты автомобиля.

Дата добавления: 2015-11-04