И все-таки не стоит считать старые машины динозаврами. Автомобили всегда являлись очень сложными механизмами, требующими прецизионной точности изготовления и сборки. Например, для особо нагруженных деталей двигателя, таких как коренные подшипники, дефектом считаются отклонения от заданных размеров уже на несколько микрон! Столь жесткие требования предъявляются и к качест­ву обработки зубцов шестерен трансмиссии. А сколько проблем доставляет выбор материала для выпускных клапанов, выдерживающего нагрев до 1000 градусов и стойкого к окислению!
Все эти трудности стоят перед разработчиками автомобилей с давних пор и по сей день. Однако оптимизация производственных процессов, развитие электроники и совершенствование материалов, то есть все то, что сейчас принято называть высокими технологиями, дали инженерам возможность не только относительно легко отшлифовывать до блеска давние конструктивные решения, но и дополнять их вспомогательными электронными и механическими системами. Именно так и удается разрешать фундаментальные противоречия между плавностью хода и управляемостью, весом и прочностью, мощностью и экономичностью. И хотя конструкция автомобиля с двигателем внутреннего сгорания уже в достаточной мере отработана и каких-то принципиальных открытий ждать не приходится, процесс оптимизации отдельных узлов, вовлекаю­щий современные технологии, идет полным ходом.

КУЗОВ
Среди многочисленных узлов автомобиля кузов может показаться статистом: важно, чтобы он был прочным и желательно красивым. Но процесс его проектирования, связанный с постоянным лавированием между требованиями пассивной безопасности, прочностью и весом, дается инженерам очень нелегко. Некоторые автопроизводители, такие как Audi и Jaguar, изготавливают кузова из алюминия. Этот металл не зря получил большое распространение в авиации: его удельный вес почти в три раза ниже, чем у стали. Кроме того, он достаточно легко обрабатывается, а детали можно получать методом литья, штамповки или экструзии (выдавливание через определенную форму).
В результате кузова из алюминиевых сплавов оказываются легче стальных аж на 40%, что продемонстрировал Jaguar своей моделью XJ в 2003 году. Кроме того, им не страшна коррозия: глубокие царапины быстро покрываются прочной оксидной пленкой, препятствующей дальнейшему окислению.
Однако есть и недостатки. Алюминиевые панели поддаются сварке только в среде инертного газа, что увеличивает стоимость производства и существенно осложняет кузовной ремонт. Непосредственный контакт с другими металлами может вызывать электрохимическую коррозию. Имеются свои тонкости и при покраске. Наконец, алюминий сам по себе весьма недешев. Так что массового внедрения этого металла в конструкции кузовов пока не наблюдается, даже при производстве дорогих автомобилей.
Впрочем, отчасти причина кроется в совершенствовании стальных сплавов. Ведь в то время как автопроизводители заглядывались на алюминий, сталепрокатные предприятия, испугавшись потери крупных клиентов, принялись за разработку новых сверхпрочных легированных и высокоуглеродистых сталей. А получив в свое распоряжение сплавы различной твердости и плотности, конструкторы смогли немного снизить вес машин: там, где нужна большая прочность (например, стойки крыши), используется один сорт стали; там, где нагрузки небольшие (панели пола), – другой.
Добиться большей жесткости стальных кузовов при сохранении или даже уменьшении веса помогают и данные бионики, то есть исследований структур живой природы, с целью применения удачных «конструкторских решений» в технике. Именно благодаря им кузовные панели нового Mercedes-Benz S-класса приобрели асимметричные выпуклости, призванные повысить жесткость и снизить уровень шума.
По мере усложнения профиля кузовных деталей в производст­во вводятся и новые методы их изготовления. Например, гидроформовка – деформирование трубы-заготовки высоким давлением воды изнутри. Эта технология позволяет получать детали очень сложной формы, которые раньше можно было изготовить только по частям с последующей сваркой, что приводило к увеличению веса на 25–30%. Кстати, процесс сварки также совершенствуется: Renault и Ford уже освоили технологию лазерной сварки. В отличие от точечной, требующей некоторого перекрытия стальных листов, лазером можно соединять панели встык и получать идеально гладкий шов.
Все перечисленные технологии помогают заметно сократить разницу в весе между алюминиевыми и стальными кузовами, сохранив их относительно невысокую стоимость. Однако это не означает, что более дорогой алюминий предан забвению. Просто сфера его применения ограничивается, как правило, панелями крыши, капотами да крыльями. Но в BMW пошли дальше и подарили новой «пятерке» весь передок из алюминия. Так баварцы обеспечили равномерное распределение веса по осям. Хотя и нажили новые проб­лемы: чтобы избежать электрохимической коррозии, стальные и алюминиевые панели приходится соединять на заклепках и клее. В случае же навесных кузовных деталей производители обычно ограничиваются болтами и изолирующим компаундом.

ПОДВЕСКА
Подвеска современных дорогих автомобилей – отличный пример того, как высокие технологии интегрируются в уже проверенные временем механизмы.
Возьмем, к примеру, систему поддержания постоянного клиренса вне зависимости от загрузки автомобиля, которая нужна не столько для перевозки грузов, сколько для более надежной управляемости (ведь по мере просадки нагружаемого автомобиля меняются углы установки колес или даже колея). Система эта основана на амортизаторах особой конструкции, способных не только демпфировать перемещения штока, но и выталкивать его с некоторым усилием вверх, помогая пружинам удерживать вес машины.
Первоначально нужное давление создавалось насосом, нагнетающим жидкость внутрь амортизатора. Как правило, для этого использовался отдельный контур насоса гидроусилителя. Позже гидравлику заменили сжатым воздухом и отдельным компрессором. А не так давно отличился Mercedes-Benz: всю систему он полностью интегрировал в амортизатор, в котором давление, необходимое для поддержания кузова, аккумулируется при проезде неровностей!
Дальнейшим развитием идеи поддержания клиренса стала пневматическая подвеска. Конст­руктивно она ничем не отличается от обычной, за исключением того, что привычные упругие элементы (пружины) заменены на пневмобаллоны. Теперь с помощью компрессора – повышая или снижая давление – можно не только поддерживать клиренс, но и изменять его. Сегодня такие подвески применяются на многих внедорожниках.
Но все эти системы действуют медленно и подавить крены в поворотах или клевки при торможениях они просто не успевают. Для этого нужны активные амортизаторы и стабилизаторы. Активными они называются потому, что способны быстро изменять свои характеристики. Так, оценив качество дороги по уровню вертикальных ускорений, электроника может дать команду зажать или ослабить амортизаторы, поддерживая оптимальный баланс между комфортом и управляемостью. При этом скорость реакции исполнительных механизмов исчисляется миллисекундами.
Технически это, как правило, реализуется с помощью перепускных электромагнитных клапанов, встроенных в поршень амортизатора. Когда нужен более мягкий ход, они открываются, позволяя маслу легко перетекать из одной половины амортизатора в другую. Если же, напротив, требуется спортивная четкость реакций, клапаны закрываются и гидродинамическое сопротивление возрастает.
Однако встречаются и более замысловатые устройства. В амортизаторах Audi меняются не сечения перепускных клапанов, а вязкость масла. Для этого в него добавляют специальные частицы размером всего несколько микрон, которые под воздействием внешнего магнитного поля выстраиваются в упорядоченные ряды, увеличивая тем самым вязкость жидкости. В итоге получается более быстродействующая, но чуть менее эффективная система.
Активные стабилизаторы поперечной устойчивости применяются гораздо реже, но при скорост­ной езде они оказываются не менее полезными. Правда, полностью раскрыть их потенциал можно лишь в скоростных поворотах. Принцип действия «умных» стабилизаторов тот же, что и обычных: когда автомобиль кренится, П-образная труба, прикрепленная концами к рычагам подвески передних или задних колес, начинает скручиваться, сопротивляясь дальнейшему нарастанию угла. Только в активном стабилизаторе присутствует гидравлический привод, который может дополнительно докручивать половинки, сводя крены практически к нулю. Подобные устройства можно встретить на автомобилях BMW и Porsche.
Вершиной же современной инженерной мысли является полностью активная подвеска. Но это пока большая редкость – она есть только у Mercedes-Benz S-класса и называется Active Body Control (ABC). Конструктивно ABC представляет собой простую пружинную подвеску с обычными амортизаторами, но вот опоры, в которые упираются стойки, есть не что иное, как гидроцилинд­ры, способные почти мгновенно менять свою высоту. Автомобиль кренится в повороте? Тогда электроника увеличивает давление в цилинд­рах с нужной стороны, и кузов выравнивается. Раскачивается на неровностях? И это не беда: блок управления в противофазе меняет высоту стоек, сглаживая колебания. При этом даже отпадает необходимость в стабилизаторах поперечной устойчивости, а пружины с амортизаторами можно сделать очень мягкими – фильтрацию низкочастотных колебаний берут на себя гидроцилиндры.

ТРАНСМИССИЯ
Хотя гидромеханической автоматической коробке переключения передач уже далеко за полвека, она до сих пор остается одной из самых высокотехнологичных деталей автомобиля. Ведь по сложности конструкции и требовательности к качеству комплектующих автомат сущест­венно превосходит даже двигатель внутреннего сгорания. Достижения последних десяти лет помогли снизить потери энергии и оптимизировать процесс переключений – почти все современные автоматы обладают адаптивными алгоритмами, позволяющими им подстраиваться под темперамент водителя. Стоит лишь пару раз сильно нажать на педаль акселератора – и коробка начнет переключаться позже, удерживать передачу при сбросе газа и тормозить двигателем, последовательно переключаясь вниз по мере снижения скорости автомобиля.
Увеличилось и число самих передач – нормой уже стало шесть ступеней. Некоторые автопроизводители выпускают даже семи- и восьмискоростные агрегаты. Среди них и семискоростной автомат 7G-Tronic от Mercedes-Benz. В отличие от большинства коробок, блокирующих гидротрансформатор (будем считать его сцеплением, передающим крутящий момент вращающимися в масле лопастными колесами) только на повышенной передаче, 7G-Tronic может устанавливать жесткую связь с мотором на любой скорос­ти. Благодаря этому снижается расход топлива, а реакции на газ приобретают четкость, свойственную механическим коробкам.
Однако специалисты AMG пошли еще дальше. Дорабатывая 7G-Tronic для Mercedes-Benz SL 63 AMG, они вообще отказались от громоздкого, тяжелого гидротранс­форматора в пользу многодискового сцепления. Таким образом, слегка проиграв в плавности переключений за счет более легкой трансмиссии, они выиграли в динамике и экономичности.
Отдельного упоминания заслуживают и так называемые преселективные коробки передач с двумя сцеплениями. Сейчас их выпуском занимаются лишь Audi и Volkswagen, однако можно не сомневаться: в ближайшем будущем подтянутся и другие автопроизводители. Уж больно удачной оказалась идея объединить в одном корпусе две механические коробки. Одна отвечает за четные передачи, другая – за нечетные. Соответственно, когда совершается разгон, например, на первой скорости, вторая уже включена, и чтобы перейти на нее, нужно лишь синхронно разомкнуть сцепление одной коробки и сомкнуть сцепление другой. При этом поток мощности не прерывается и переключение получается быст­рым и незаметным.
Совершенствуются и механизмы распределения крутящего момента по осям и колесам. Например, вискомуфты все чаще замещаются более скоростными и экономичными многодисковыми муфтами, фрикционы которых сжимаются гидроприводом. При этом управление передается электронике, обеспечивающей высокое быстродействие и гибкость.
Отличный пример – муфта Haldex, используемая в системах полного привода для автоматического подключения одной из осей при пробуксовке, к примеру, на автомобилях группы Volkswagen. Изначально, в 1998 году, это было полностью автономное устройст­во, в котором давление, необходимое для сжатия фрикционов, создавалось механическим насосом, работающим за счет разной скорости вращения валов. Однако спустя четыре года муфта получила датчик давления и небольшой дополнительный электронасос, и электроника смогла создавать предварительный натяг, отслеживая степень блокировки. И лишь позже, в 2007 году, от механиче­ского насоса отказались вовсе – Haldex стал полностью электронно-управляемой муфтой.
Не менее продуктивным оказался симбиоз электроники и механики в области межколесных дифференциалов. Появились агрегаты, способные не только динамиче­ски перераспределять крутящий момент, но и менять скорость вращения одного из задних колес, помогая заправить автомобиль в поворот. Для этого в корпус дифференциала встраивается планетарный редуктор, по команде электроники переключающийся на повышающую передачу, и две фрикционные муфты – левая и правая. Когда автомобиль входит, например, в правый поворот, электроника включает повышающую передачу и зажимает левый фрикцион – внешнее заднее колесо начинает быстрее вращаться, на него передается больший крутящий момент и автомобиль буквально вкручивается в вираж. Так устроен активный дифференциал в системе полного привода Honda SH-AWD. Схожим образом работает и Super AYC на Mitsubishi Lancer Evolution.

ДВИГАТЕЛЬ
Высокие технологии в моторо­строении направлены на улучшение целого ряда параметров, которые определяют такие важные характеристики, как мощность, экономичность и экологичность. Одним из этих параметров является вес двигателя. Чтобы его снизить, впускные патрубки и крышки головок блока изготавливаются из пластика, а сам блок цилиндров отливается из алюминия (вместо традиционного чугуна). Точнее из сплава алюминия с кремнием, отличающегося повышенной проч­ностью и износоустойчивостью. Для дополнительного упрочнения стенок цилиндров их иногда покрывают сверхпрочным составом из хрома и кремния – никасилом. Эта технология отлично себя зарекомендовала в высокофорсированных моторах Ferrari, Porsche, а также двигателях «Формулы-1».
Последнее слово в области снижения веса – биметаллический блок цилиндров от BMW. В нем внутренняя часть отлита из привычного сплава алюминия, а внеш­няя, менее нагруженная, – из магния. Вот вам и «похудение» на 10 кг, что очень существенно для отдельно взятого узла.
Заметных успехов инженеры достигли и в улучшении процесса наполнения цилиндров свежим воздухом, от эффективности которого зависит крутящий момент двигателя. Многие современные моторы оснащаются системами изменения фаз впускных клапанов, помогающими повысить наполнение за счет инерции воздушного потока. По мере роста оборотов впускные клапаны закрываются все позже и позже, окончательно перекрывая канал лишь в начале такта сжатия и тем самым позволяя разогнавшемуся потоку воздуха «дозарядить» цилиндр. Еще большей гибкостью обладают двигатели, умеющие смещать моменты открытия и закрытия выпускных клапанов.
Другой способ повысить наполнение цилиндров – использование впускного коллектора переменной длины. Уменьшение протяженности впускного тракта, согласованное с ростом оборотов мотора, помогает закачать дополнительный воздух. Происходит это благодаря оптимизации колебательных процессов – в коллекторе образуется стоячая волна, в зоне повышенного давления которой как раз и находится цилиндр.
И наконец, самым эффективным и высокотехнологичным инструментом повышения отдачи мотора остается турбонаддув. Выхлопные газы раскручивают турбину до 200 тыс. об/мин, позволяя поднять давление во впускной системе до нескольких бар. Правда, инженерам приходится трудиться в поисках материала, выдерживающего огромные температуры и обладающего при этом малым коэффициентом теплового расширения, ведь выхлопные газы могут раскаляться до 1000 градусов.
Все чаще в бензиновых двигателях в паре с турбокомпрессорами применяется и технология непо­средственного впрыска. Тем самым удается не только оптимизировать смесеобразование и работу на сверхобедненной смеси (с малым содержанием топлива), но и понизить температуру в камере сгорания вследствие испарения бензина. Это позволяет избежать детонации и даже дополнительно поднять степень сжатия, добившись более высокого КПД двигателя. Пример тому – моторы Audi TFSI, сочетающие турбонаддув с непосредственным впрыском.
С этой точки зрения бензиновые двигатели становятся все более похожими на дизели. Правда, моторы на тяжелом топливе обладают куда более совершенной системой впрыска, ведь их сложные условия смесеобразования требуют очень эффективного распыления топлива. Поэтому если для бензинового мотора давление впрыска, как правило, не превышает 200 бар, то для дизеля эта величина уже достигает 2000! А чтобы максимально точно управлять подачей топлива, используются быстродействующие пьезофорсунки, успевающие за один рабочий цикл распылить пять порций солярки. Столь тонкая организация смесеобразования помогает дизелям развивать внушительный крутящий момент, оставаясь при этом в рамках жестких экологических требований.
Впрочем, за чистоту выхлопа успешно борются и современные системы нейтрализации. От копоти помогают избавиться специальные фильтры, накапливающие сажу, а затем сжигающие ее путем кратковременного повышения температуры. С оксидами же азота, главной проблемой дизельных моторов, справляются нейтрализаторы с впрыском синтетической мочевины AdBlue: вредные вещества просто распадаются на азот и водяной пар.

РЕЗЮМЕ
Высокие технологии позволяют сегодня реализовать то, что еще вчера казалось невозможным в силу безумной стоимости и сложности исполнения. С ними автомобиль может стать безопаснее, комфортнее, быстрее и экологичнее, превратившись из объекта любви и ненависти в надежное и доступное средст­во передвижения. Однако здесь же и скрыта опасность: стараясь снизить себестоимость производства, автопроизводители нередко пытаются залатать высокими технологиями бреши в проектировании и доводке. Так, несовершенство кинематики подвески можно скрыть хитрой программой электроусилителя руля, а слабый двигатель – чувст­вительной педалью газа.
Впрочем, все это означает лишь, что к выбору автомобиля нужно подходить с особой тщательностью. И тогда можно будет дейст­вительно радоваться достижениям техники. 

КУЗОВ ИЗ АЛЮМИНИЕВОГО СПЛАВА МОЖЕТ БЫТЬ НА 40 ПРОЦЕНТОВ ЛЕГЧЕ СТАЛЬНОГО

ВЫСОКИЕ ТЕХНОЛОГИИ РАЗРЕШАЮТ ИЗВЕЧНЫЕ КОМПРОМИССЫ В КОНСТРУКЦИИ АВТОМОБИЛЕЙ

АКТИВНЫЙ ДИФФЕРЕНЦИАЛ НАДЕЛЯЕТ АВТОМОБИЛЬ НЕВИДАННОЙ УСТОЙЧИВОСТЬЮ

Олег Карелов

www.autonews.ru