ЛК ЛVIEвтолюбителей" БУХГАЛТЕРИЯ" ПОД КАПОТОМСЛУЧАЙНЫЕ ЛЮДИ В АВТОПРОМЕ... Вести разговор о таких "академических" понятиях, как мощность двигателя или его крутящий момент, километровый и удельный расход топлива, коэффициенты сопротивления, динамические факторы и т. д. на страницах популярного журнала, рассчитанного "на всех", дело довольно непростое, а зачастую и неблагодарное. Сейчас явно возрос контингент "автолюбителей", не отличающих болт от гайки и строящих свое благополучие только на деньгах - с ними можно найти кого-нибудь, умеющего более или менее добросовестно эти самые гайки закрутить. Но, к счастью, есть немало людей другого склада - увлеченных, знающих и любящих автомобиль, даже когда нет возможности его купить... В конце концов, именно такие движут науку вперед! Однажды мой коллега на вопрос, стоит ли освещать подобные темы на страницах журнала, возразил: "Они даже для студента вуза слишком сложны!" И он прав, если в каждом читателе подозревать троечника. Все мы, управляя хорошо известными автомобилями, плоды творчества наших троечников "вкушаем" изо дня в день, но нельзя же с этим мириться вечно. Мой товарищ, опытнейший авиамеханик, всю жизнь проработав в фирме Сухого, поругивал подобную публику: "Случайные люди в авиации!" А что, в автопроме таких "талантов" меньше? СКОЛЬКО "ЛОШАДОК" ДЕРЖАТЬ В КОНЮШНЕ? В письме, с которого я начал, вопрос стоял так: почему двигатели начала века были маломощными, а машины все же неплохо ездили? Смотря что понимать под словом "неплохо" - автомобилисты просто привыкли к определенным цифрам, указующим на некое "поголовье" под капотом. Вряд ли найдется "жигулист", не знающий, что у него там именно 77 "сил", а не 70. допустим. Владелец "Волги" с гордостью назовет "сотню", о существе дела не задумавшись. Проверить технический уровень каждого можно "провокационным" вопросом - спросите, какую часть 'табуна" приходится использовать, чтобы ехать со скоростью вполовину от максимальной - и "студент поплыл..." Один скажет, что мощность снизится тоже вдвое! А другой вообще думает, что во всех случаях используются как раз 77 или 100 "лошадей" - даже на холостом ходу двигателя! Иными словами, многие автовладельцы довольно туманно представляют себе, что такое мощность двигателя и какие показатели машины от нее зависят. Действительно, даже без этих познаний можно вполне счастливо рассекать пространство - было бы пиво холодное по маршруту следования... 172 ЗРЛМ 7/97 А УЕ Толчком для появления этой статьи послужило одно из многих читательских писем, подкупившее автора тем, насколько любознательным оказался читатель - пятнадцатилетний паренек из Подмосковья. Как тут было не ответить! Итак, беседу ведет Виктор СЛЕСАРЕВ.ИЗ ЧЕГО СДЕЛАНО "ПРОСТРАНСТВО"? Возможно, вы когда-нибудь слышали о знаменитом английском чайном клипере "Катти Сарк". Оснащенный только парусами, в на-вторых, сопротивляется вашим усилиям и трансмиссия: вы приводите в движение множество шестерен и валов, перемешивая между ними масло. Для сравнения попробуйте Рис. 1. Коэффициенты аэродинамического сопротивления различных типов автомобилей. сдвинуть с места "Ниву" с ее куда более сложной трансмиссией - разницу вы сразу почувствуете. Итак, при движении автомобиля часть мощности обязательно затрачивается на преодоление потерь в трансмиссии и сопротивление качению шин. Потери в трансмиссии могут быть очень ощутимыми, достигая 15%, а порой и больше - заметьте, в рабочем состоянии машины, при прогретом масле * с правильно подобранными характеристиками. При холодном - морозным утром - они могут быть такими, что машина явно "не едет!" Как оценить потери мощности на качение шин? Если дорога имеет твердое, ровное покрытие, а давление в шинах нормальное, то в широком диапазоне скоростей (примерно до 60-70% от максимальной) сила сопротивления качению шин почти постоянна и, по данным ряда исследований, составляет 0,013-0,015 полного веса машины. На скоростях 150-160 км/ч этот коэффициент может увеличиваться в зависимости от особенностей шины, давления в ней, температуры и т. д. до значений 0,019-0,020, что мы тоже учтем em ^ расчетах, которые вместе с вами сделаем. Положим, автомобиль весом 1400 кгс движется со скоростью 110 км/ч при коэффициенте потерь на качение 0.015. Сопротивление колес составит: 1400 кгсх0,015 = 21 кгс. При 160 км/ч потери составят уже 28 кгс. "ПО КВАДРАТУ" И "ПО КУБУ"... А вот другая составляющая пространства, которую мы так любим рассекать и которую так любит пешеход в тихую, теплую погоду, это воздух. Чем быстрее едешь, тем сильнее его сопротивление. На очень высоких скоростях воздух становится "железным": так, на некоторых боевых самолетах при энергичных щ маневрах один квадратный метр крыла испы-§1 тывает нагрузку до нескольких тонн! Сопро-УМШ\чале века он частенько обгонял коммерческие пароходы с мощными машинами. В самом деле, солидный парусник, с завидной регулярностью пересекавший океаны со скоростью до 20-22 узлов, был сенсацией! Как утверждают корабелы, секрет кроется в удивительном совершенстве клипера, который почти летел над волнами, а не "бороздил" океан, как пароходы, Энергия ветра использовалась им максимально эффективно при минимуме сопротивления самого корабля. К сожалению, в наши дни все очевиднее. что многие российские автомобили по сравнению с европейскими или японскими именно "бороздят океан"... Поэтому у них ниже скорость, выше расход топлива, быстрее идет износ агрегатов и узлов трансмиссии, шин и т. д. Поотстали наши ВАЗы от Европы, как и "волги", "москвичи"... Итак, вспомним, что в цилиндрах двигателя сгорает топливо - подготовленная смесь горючего (бензина) и окислителя - кислорода. содержащегося в воздухе. Полученная механическая энергия через трансмиссию передается ведущим колесам - те толкают машину вперед, преодолевая сопротивление... - чего? Уверены, большинству из вас приходилось - хотя бы на ровной бетонной площадке - катать туда-сюда руками свои "Жигули". Сила понадобится немалая. Она вызвана, вопервых. сопротивлением колес, так как шины при качении деформируются (вообразите, как пятно контакта обегает колесо по кругу!). Сопротивление увеличивается с падением давления в шине - помните, при проколе машину тянуло в сторону поврежденного колеса? Во- Лвтолюбителей< Tj V ES , тивление воздуха - главный враг высоких скоростных показателей. Этот враг по-настоящему серьезен, так как резко увеличивается с ростом скорости: увеличили ее втрое - сила сопротивления подскочила в девять раз! Она пропорциональна квадрату скорости. Но чтобы вычислить аэродинамическое сопротивление автомобиля, достаточно знать два важных его показателя. Во-первых, коэффициент аэродинамического сопротивления Сх. Его называют коэффициентом формы - вполне справедливо, так как он указывает именно на совершенство формы. "Це-икс" грузовиков и мотоциклов может достигать 0,6-1.0. для легковых машин типа "жигулей" составляет примерно 0,45. у лучших современных автомобилей - ниже 0,3 (рис. 1). Во-вторых, максимальная площадь поперечного сечения машины S (лобовая площадь). Вспомним заодно, что плотность воздуха р на уровне моря при нулевой температуре составляет 0,132 кгсс 2 /м 4 . Теперь задайте несколько интересующих вас скоростей Vв м/с - и можете вычислять сопротивление воздуха по формуле: R = 0.5 Сх Sр V2. ностью 77 л.с. при 5600 об/мин коленвала. Что отсюда следует? Если рассчитать соответствующую этим оборотам скорость, исходя из передаточного числа трансмиссии - 4.1 и окружности протектора колеса - 1,8 м, получим 147,4 км/ч. (Так как наш расчет не более чем "оценочный", ряд факторов, влияющих на результат. но по воздействию второстепенных, мы не учитываем. В частности, пренебрегаем сложной деформацией шины при контакте с дорогой: при таком, как у нас, "мощностном" расчете можно считать, что шина по дороге не проскальзывает и окружность ее каркаса неизменна.) Это точка А на графике. Она же является вершиной на мощностной кривой 2 двигателя 2103 (это следует из его "официальной" характеристики). Максимальная же скорость машины определяется точкой В пересечения кривых 1и 2. Значит, наш "максимум" около 150 км/ч, что вполне соответствует ВАЗ2103 и ВАЗ-21053 с попной нагрузкой. На кривой 6 вы видите точку С, соответствующую максимальной мощности 64 л.с. двигателя ВАЗ-2101 при тех же 5600 об/мин. Но так как у этого автомобиля передаточное число трансмиссии на высшей передаче - 4,3, Для начала напомним об особенностях отечественных спидометров. Как правило, они завышают показатели скорости - порой на 10 км/ч, а то и больше. Но куда важнее влияние попутного ветра, продольного уклона дороги. До сих пор в расчете мы эти факторы не учитывали. Что касается ровной, твердой, горизонтальной дороги, то прикиньте по графику, какой должна быть мощность двигателя этого автомобиля, если бы он достигал 160 км/ч: не менее 90 л.с! Но заметьте: достаточно не очень сильного попутного ветра - силой 5 м/с (сдвиньте кривую 1 вправо на эту величину теперь это кривая 3) - и ваши заветные "160" легко превысить. Правда, ценой "перекрутки" двигателя до оборотов около 6000 в минуту. что ему не на пользу. Зато встречный ветер такой же силы (кривая 4) буквально "пожирает" вашу скорость. Теперь автомобиль покажет не больше 130 км/ч. Заметим: сидя в движущемся автомобиле, ощутить реальную силу попутного или встречного ветра довольно трудно. Влияние подъема или спуска дороги тоже легко вычислить. Например, на небольшом уклоне 2% наш автомобиль "подгоняет" сила, Рис. 2. Так изменяется необходимая для движения мощность в зависимости от скорости автомобиля: N - мощность, л.с: V скорость, км/ч (м/с): Сх - коэффициент аэродинамического сопротивления: S -"лобовая площадь" автомобиля: 1 - расчетная мощность, с учетом изменения потерь на качение шин по скорости; 2,6 - характеристики максимальной ("располагаемой") мощности двигателей ВАЗ-2103 и ВАЗ2101: 3.4 - результаты расчета для попутного и встречного ветра 5 м/с: 5 - расчетная кривая необходимой мощности для современного автомобиля со сниженным аэродинамическим сопротивлением Сх = 0,3. равная 1400 кгсх0,02 = 28 кгс. При скоростях, например, 30 и 40 м/с это равносильно тому, что мощность сопротивления уменьшилась сразу на 11 и 15 л.с, - значит, кривая сопротивления прошла бы ниже, что и позволяет легко достичь тех же 160 км/ч. Как правило. "рекорды", которыми многие любят похвастать, - "заслуга" именно попутного ветра, не замеченного в тот день, или небольшого уклона дороги. Но как улучшить скоростные и экономические показатели машины в нормальных условиях. без помощи ветра или затяжного спуска? Вообразите, что вам удалось сделать автомобиль более обтекаемым, с коэффициентом Сх = 0,3, и повторите расчеты хотя бы для двух-трех значений скорости. Получится кривая 5 на графике. Вот он - резерв! А если еще подобрать другое передаточное число или другие колеса, да уменьшить лобовую площадь и вес... Глядишь, получился бы вполне современный автомобиль. Вижу, вы ехидно улыбаетесь: да, создать в наше время шедевр автомобильного искусства не просто. Особенно - при сегодняшней ситуации в стране. Но вам жить в следующем веке!.. З РЛМ 7.97 173 А УЕЬДля скоростей 10. 20 и 30 м/с при Сх = = 0,45 иS = 1,8 м2 вы получите величины (соответственно) 5,35, 21,4 и 48,1 кгс. Эти силы суммируются с сопротивлением качению - 21 кгс. Значит, суммарное сопротивление при этих скоростях составит 26,35,42,4 и 69,1 кгс. Какая же мощность затрачивается на движение с этими скоростями? Она, как известно из физики, равна произведению силы Ф тяги на скорость. Например, для скорости 10 м/с мощность составит 26,35x10 = 263.5 кгс-м/с. Хотите перевести в лошадиные силы? Пожалуйста: поделите число 263,5 на 75 - получится 3,51 л.с. Выходит, для езды со скоростью 36 км/ч "жигулям" нужно всего-то три с половиной "силы"! Правда, двигатель - с учетом потерь в трансмиссии - допжен отдать процентов на пятнадцать больше, около 4 л.с. ("внутренние затраты", в том числе на работу помпы, генератора, вентилятора и т. д.. мыздесь,конечно. не учитываем).90 100 110 120 130 140 150 160точка несколько сдвинулась влево, на скорость около 140 км/ч, но тоже практически легла на кривую 2. При желании вы можете нанести соответствующие точки и для других "классиков" - ВАЗ-21011, ВАЗ-2105, ВАЗ-2106. Мы же просто не хотели загромождать график. Какие можно сделать выводы? Очевидно. Итак, мощность, затрачиваемая "на аэропередаточные числа на "Жигулях" были выдинамику". растет по "кубу" скорости. Общая браны (с учетом размера шин) очень удачно, же ее величина, необходимая для езды со чем и объясняются неплохие динамические •• скоростями 20 и 30 м/с, составит уже около 13 характеристики этих машин на IV передаче. Таковых явно недостает появившимся позди 32 л. с. соответственно. нее "самарам". где попытались улучшить экономичность за счет "удлинения" передач. ПоПОСЧИТАЕМ ДАЛЬШЕ... ...и вычислим, какая мощность двигателя лучился автомобиль, на котором езда на IV иV необходима для равномерного движения на передачах часто вызывает скуку, особенно других скоростях рабочего диапазона "жигуесли мощность двигателя окажется почемулей". Затем вы легко построите график, покалибо меньше положенной. занный на рис. 2. А он стоит того, чтобы изуА как влияет нагрузка? На максимальную чить внимательнее! скорость - мало. Можете сами поупражняться Обратите внимание на диапазон скорос цифрами, задавая полный вес машины в дистей 39-42 м/с (около 140-150 км/ч). Он позвоапазоне 1100-1400 кгс. И убедитесь, что разляет сравнить то, что вы получили, с официница не превысит 1-2 км/ч. Еще один вопрос, заданный любознательальными характеристиками (смотри в любой книге!) "жигулей". Например, популярная в ным читателем, был таков: как объяснить то, хвое время "трешка" ВАЗ-2103 или современчто у некоторых владельцев упомянутые выше ный ВАЗ-21053 оснащены двигателем мощмашины якобы развивали 160 км/ч и больше?