Введение
Автоспорт ведет свое начало с самого появления автомобиля. Не прошло и десяти лет с появления первого серийного автомобиля Карла Бенца (1885 г), как уже 22 июля 1894 года из Парижа в Руан в гонку на время отправился 21 автомобиль. До финиша добрались 13 бензиновых и 3 паровых автомобиля.
Уже в этот момент автоспорт начинает свое влияние на автомобильную индустрию, ведь гонки подразумевают не только скорость, но и надежность. Первая гонка доказала, что за надежными технологиями будущее — до финиша добрались все бензиновые, и только три из семи стартовавших паромобиля. Единственный электромобиль даже не смог покинуть Париж.
За более чем столетнюю историю, автоспорт подарил гражданской автомобильной индустрии множество нововведений. Что именно?
Введение полуавтоматической трансмиссии (DSG).
Первые разработки по созданию коробки передач с двумя сцеплениями были предприняты командой Porsche, создавшей в 1984 году прототип Porsche 962 для гонок на выносливость. Однако, для внедрения технологии в массовое производство потребовалось почти двадцать лет — первая серийная двухсцепная трансмиссия появилась на Volkswagen Golf R32 в 2003-м году. Так в чем же новизна и преимущества данной КПП перед традиционными коробками?
Рис. 1. Принципиальная схема коробки передач с двумя сцеплениями
Переключение передач происходит без разрыва потока мощности — так как крутящий момент от двухмассового маховика двигателя передается на два многодисковых сцепления, связанных с соответствующими соосными ведущими валами, один из которых проходит внутри другого.
Параллельно ведущим валам расположены два ведомых вала. С одним из ведущих валов жестко связаны ведущие шестерни нечетных передач (7, 3, 5), а с другим — ведущие шестерни четных передач (2, 4, 6 и передача заднего хода). На ведомых валах находятся шестерни постоянного зацепления соответствующих передач, которые могут жестко соединяться с ведомыми валами с помощью синхронизаторов.
Управление сцеплениями и перемещением синхронизаторов осуществляется посредством гидравлических исполнительных устройств через электронный блок управления, который получает информацию от десяти датчиков, расположенных в коробке.
При трогании автомобиля с места электронный блок дает команду, включая первую передачу, а затем первое сцепление, после чего крутящий момент передается на один из ведомых валов коробки передач, который через ведущую шестерню приводит во вращение ведущую шестерню главной передачи. Главная передача через дифференциал приводит во вращение ведущие колеса автомобиля и одновременно раскручивает второй ведомый вал, на котором расположены синхронизаторы, включающие четные передачи. За время разгона на первой передаче при достижении соответствующей скорости и за счет простого переключения сцеплений на параллельном ведомом валу включается вторая передача.
Переход на последующие передачи происходит аналогично, без разрыва потока мощности, неизбежного в простых механических коробках передач [1, c. 167]. Это ведет к экономии топлива (на 15 % по сравнению с традиционными АКПП) и плавному переключению скоростей.
Однако, чем сложнее конструкция, тем сложнее её обслуживание. Несмотря на почти двадцать лет разработки, коробки Volkswagen DSG снискали себе славу «ненадежных». Но разработка продолжается, и надежность повышается с каждой новой итерацией коробки DSG.
Разработка и внедрение дисковых тормозов.
Буквально каждый современный автомобиль оснащается именно дисковыми тормозами, но еще пятьдесят лет назад о дисковых тормозах лишь знали гоночные инженеры. Как ни странно, первые дисковые тормоза были запатентованы еще в 1902 году. Подвело несовершенство технологий — медные колодки при соприкосновении со стальным тормозным диском издавали настолько громкий металлический скрип, что об этой идее забыли на пятьдесят лет, а стандартом индустрии стали барабанные тормоза. Вспомнили о них в 1954 году инженеры Jaguar, создавая гоночный C-Type.
Дисковый тормозной механизм конструктивно проще барабанного, компактнее, легче и дешевле. Он эффективнее благодаря тому, что поверхность диска плоская и колодки прижимаются к нему равномерно (полукруглая поверхность колодки барабанного тормоза же неравномерно прижимается к внутренней поверхности барабана), и имеет меньшее время срабатывания. Дисковые тормоза проще в обслуживании, практически не ограничивают тормозное усилие на колодках (в барабанном механизме оно ограничено прочностью барабана).
Главными же преимуществами дисковых тормозов перед барабанными считают постоянство (стабильность) характеристик и широкие возможности для регулировки их работы, что приводит к улучшению торможения, а в конечном итоге — повышению безопасности движения.
Через пять лет дисковые тормоза уже стояли почти на всех быстрых серийных автомобилях.
К сожалению, с дисковыми тормозами связана и самая крупная катастрофа в автоспорте — авария в Ле-Мане 1955-го года, унесшая жизнь 83 человек. Именно из-за резкого торможения Jaguar D-Type, оснащенного дисковыми тормозами, произошло столкновение Austin-Healey и Mercedes, чьи барабанные тормоза не могли так быстро замедлить машину. Mercedes-Benz 300 SLR Пьера Левега вылетел в толпу и загорелся.
Система газораспределения с двумя распредвалами (DOHC)
Многие видели таинственную аббревиатуру DOHC на крышку ГРМ двигателя. Она всего лишь обозначает, что в механизме газораспределения установлена система из двух распредвалов. Первые эксперименты с подобной системой начали итальянцы в своих спортивных прототипах — таких как FIAT GrandPrix (1912) и ALFA 40/60 GP (1914). Впервые в серийное производство их ввела небольшая британская компания Sunbeam, выпустившая в 1924 году Sunbeam 3 litre — гоночный автомобиль для участия в 24-х часах Ле-Мана. Новинка показала себя достаточно успешно, заняв на финише гонки 1925-го года второе место, подтвердив потенциал данного вида ГРМ. Однако, конструкция не стала массовой, двумя распредвалами еще долгое время оснащались лишь гоночные и авиационные двигатели. Все поменяла Вторая Мировая Война. Новым танкам требовались новые, более надежные и мощные двигатели. Именно тогда конструкция DOHC стала действительно массовой. ГРМ с четырьмя клапанами на цилиндр и двумя верхними распределительными валами оснащались танковые двигатели, в частности — знаменитый танковый дизель В-2 (Т-34, КВ, ИС) и американский бензиновый V8 Ford GAA («Шерман» M4A3), хотя оба изначально разрабатывались в качестве авиационных. Уже после войны, механизм с двумя распредвалами появился в серийном автомобилестроении, но по-прежнему оставался уделом мощных и дорогих автомобилей. Только в 1980-х годах, когда возможности традиционной схемы ГРМ с одним верхним распределительным валом с точки зрения мощностной отдачи оказались, несмотря на все ухищрения конструкторов, близки к исчерпанию, DOHC пошел в массовое автомобилестроение. Сегодня же DOHC применятся почти повсеместно, конструкцию же с одним распредвалом (SOHC) можно найти только на автомобилях низкого ценового класса.
Системы безопасности.
Почти половина современных систем безопасности пришла из автомобильного спорта. Высокие скорости ведут к большим рискам, которые зачастую вели к смерти пилотов. Из автогонок пришло самое простейшая система безопасности, уже как сто лет находящаяся в любом автомобиле — зеркало заднего вида. Пилот Рей Харроун выиграл гонку Инди-500 1911 года на автомобиле, оснащенным первым стационарным зеркалом заднего вида. Хоть и зеркало сильно вибрировало и давало плохой обзор на кирпичном полотне трека в Индианаполисе, но эту идея прижилась и к 1921 году встала на конвейер. Самому же Рею эта идея пришла в голову, когда он в 1904 году увидел лошадиную повозку, оснащенную аналогичной конструкцией.
Рис. 2. Marmon Wasp Рея Харроуна
Из Формулы 1 и других гоночных серий пришло массовое использование новых материалов. Сотовый алюминий, углеродное волокно — все это появлялось сначала в гоночных автомобилях, и лишь затем претворялось в жизнь в серийных. Из Формулы 1 пришло понятие «монокок» — первые серийные гоночные Lotus 25, чья внешняя оболочка и была единственным несущим элементом кузова. В настоящее монокок применяется во многих серийных спортивных автомобилях, существенно повышая прочность конструкции. Также гоночные серии с открытыми колесами дали множество электронных систем безопасности — контроль тяги (трэкшн-контроль) для автоматического управления мощностью, подаваемой на дорожное покрытие для предотвращения прокручивания колеса; «активной» подвеской, отслеживающей дорожный просвет под днищем автомобиля, оснащаются серийные автомобили Mercedes-Benz.
Также, одновременно с гонками развивалась аэродинамика автомобилей. Во многом, конечно, тут заслуга и авиации, но именно автоспорт добавил автомобилям спойлеры и антикрылья, дал толчок развитию CFD — вычислительной гидродинамики, благодаря которой, аэродинамический дизайн каждого нового автомобиля создается вначале виртуально, и лишь потом претворяется в жизнь. С помощью технологии CFD был разработан болид команды «Virgin» в 2010 году, который хоть и не показал весомых результатов, но доказал, что автомобиль, разработанный только при помощи компьютерных технологий, может быть конкурентоспособен.
Нет никаких сомнений, что такие гонки как Формула-1 являются неотъемлемой частью развития автомобильной промышленности. Однако, за последние пятнадцать лет, гоночные серии принесли в гражданское автомобилестроение гораздо меньше, чем само гражданское автомобилестроение — в гонки. Так, например, введение гибридных турбомоторов в Формулу 1 состоялось лишь в 2014 году, когда первые серийные гибриды выехали на дороги еще в конце 20-го века. Ведущие автомобильные серии стали закрыты для новых технологий, а жестко прописанный технический регламент не дает конструкторам в полной мере проявить свою фантазию. Технический регламент Формулы 1 на 2019 год [2] содержит 189 пунктов, касающихся всех аспектов создания болида — от аэродинамики до передаточных чисел КПП. Традиционный регламент же 1970-х годов уточнял лишь требуемый объем двигателя и минимальный вес автомобиля и несколько требований к безопасности [3]. Это вело к созданию потрясающих образцов инженерной мысли — болиды Lotus с граунд-эффектом (когда под днищем машины создается разрежение, «присасывающее» болид к асфальту), шестиколесный Tyrell P34, болид-пылесос Brabham BT46С (был сразу же запрещен из-за опасности для идущих позади пилотов) и другие.
Сегодня существуют отдельные серии, пытающиеся внести как можно больше инновационных технологий. Создаются электросерии, такие как Formula E и Moto E, проводятся пробеги на энергоэкономичность, такие как Shell Eco-marathon, где главной задачей является проехать большее расстояние на малом количестве топлива, а инженерная мысль почти ничем не ограничена. Автоспорт по-прежнему вносит в индустрию новые идеи, но такие гранды как Формула 1 или 24 часа Ле-Ман, уже уходят в сторону зрелища, а не инноваций.
Литература:
- Иванов А. М., Солнцев А. Н. Основы конструкции современного автомобиля. М.: За рулём, 2012. — 336 с.
- Официальный сайт Международной автомобильной федерации [Электронный ресурс]: Formula One — Technical Regulations. 2019. URL: https://www.fia.com/regulation/category/110 (дата обращения: 01.04.2019)
- Грут С. Д. Правила Ф1 1970–1979 // Formula One uncovered. 2009. [Электронный ресурс] URL: https://www.f1technical.net/articles/25 (дата обращения: 01.04.2019)
