Гоночные автомобили

В гоночных автомобилях сосредоточены последние достижения конструкторской мысли. Главным назначением гоночных автомобилей является достижение высоких скоростей на тяжелой трассе гонок и наилучших динамических характеристик. Эти требования привели к практически повсеместному применению компоновочной схемы, при которой двигатель располагается перед задним ведущим мостом, а водитель находится перед двигателем в полулежачем положении, что позволяет получить минимальную площадь лобового сопротивления автомобиля и минимальный момент инерции относительно вертикальной оси и минимальную высоту положения центра тяжести.

Для увеличения жесткости рамы и минимальной массы применяются решетчатые конструкции из гладких трубок. Рама автомобиля Порше сварена из труб, изготовленных из легкого» металла, что требует высококачественной сварки в защитной среде. Все трубы тщательно пропаяны и заполнены сжатым азотом. Малейшая утечка, возникающая в результате появления трещин, проявляется показаниями манометра на панели приборов и сигнализирует о неисправности рамы кузова. В дальнейшем было сочтено достаточным контролировать давление азота перед началом соревнований.

Дальнейшей ступенью развития конструкций кузова гоночных автомобилей является использование емкостей и элементов кузова в качестве несущих и установка двигателя на силовых деталях в задней части кузова (Брабхем ВТ 34). При этом сам двигатель с задним мостом является несущей частью автомобиля.

В закрытых спортивных, автомобилях с боковыми дверями приходится применять другие конструктивные решения, например рамы из стальных трубок, усиленные приклепанными листовыми панелями, или несущий пол, как в автомобиле Форд GT 70. Для того чтобы высота автомобиля была минимальной, двигатель расположен сзади, как и во всех гоночных моделях.

Как уже было сказано, с целью уменьшения высоты автомобиля и снижения площади лобового сопротивления водитель располагается в нем почти лежа, будучи при этом тесно замкнут в кузове, что препятствует его выпадению из автомобиля при аварии. На показаны типичные современные гоночные автомобили. Шины передних и задних колес представляют собой широкие цилиндры, особенно велики по ширине и диаметру задние колеса. Колеса крепятся к кузову легкими трубчатыми V-образными кронштейнами. Упругие элементы подвески образованы телескопическими гасителями колебаний, на которые снаружи надета винтовая цилиндрическая пружина. Иногда эти элементы устанавливают свободно вне кузова.

Для снижения лобового сопротивления воздуха иногда упругие элементы подвески прячут внутрь кузова. Соответственное конструктивное исполнение рычагов подвески колеса позволяет получить необходимые прогрессивные характеристики подвески. Задние колеса обычно крепятся на двух продольных рычагах, воспринимающих усилия, возникающие при торможении и разгоне. Поперечные силы воспринимаются трубчатыми поперечными кронштейнами.

Для снижения массы кузов гоночных автомобилей иногда изготовляют из слоистых пластиков, причем заднюю часть автомобиля над мотором оставляют открытым, что позволяет снизить массу автомобиля без серьезного ухудшения его аэродинамики, поскольку в этой зоне обтекание воздушным потоком все равно сильно нарушено. Гораздо более тщательно отрабатывают переднюю часть автомобиля, которая поднимается плавно и выступает далеко вперед, располагаясь низко над землей. Такая форма обеспечивает малое аэродинамическое сопротивление и аэродинамическое прижатие передка автомобиля к земле.

На современных гоночных автомобилях часто применяют спойлеры (аэродинамические крылья). Сначала спойлеры устанавливали над задком, высоко над кузовом автомобиля; их отрицательный угол атаки создавал силу прижатия задней оси к земле, что улучшало условия разгона и торможения автомобиля. Такой метод нагружения осей автомобиля выгоден тем, что он не связан с увеличением массы.

Поскольку отдельные, прикрепленные к кузову спойлеры легко отламываются, их постепенно стали выполнять в виде выступающих поверхностей, образующих одно целое с кузовом. В настоящее время спойлеры устанавливают и спереди для увеличения нагрузок и на переднюю ось.

На автомобиле Чапарралъ была испытана другая система нагружения осей автомобиля. Два мощных вентилятора всасывают воздух в короб кузова через малые щели между резиновой юбкой, окружающей кузов, и землей, обеспечивая эффект, обратный воздушной подушке. Это дает возможность получить двухкратное нагружение ведущего моста, что позволяет проходить повороты с ускорением 1,3-1,5 g. На экспериментальных образцах было достигнуто ускорение до 2 g.

Для уменьшения пожароопасности топливные баки гоночных автомобилей изготовляют из синтетических пластических материалов, которые сохраняют герметичность в случае аварии. Были также испытаны топливные баки из пористых материалов, которые предотвращают быстрое вытекание топлива в случае прорыва. Расположение гонщика перед двигателем улучшает условия его безопасности, в частности, и в случае пожара. Однако при перевороте автомобиля гонщик подвергается большей опасности, поскольку деформация кузова не позволяет ему быстро покинуть автомобиль. Поэтому на гоночных автомобилях устанавливают автоматические огнетушители, а гонщики надевают термозащитные костюмы. Успешно прошли испытания системы быстрого тушения пожаров на автомобиле с помощью вентилятора.

При разработке двигателей для гоночных автомобилей прежде всего стремятся получить максимальную литровую мощность, которая зависит от весового наполнения цилиндров двигателя воздухом и от теплотворной способности топлива. Для того чтобы в цилиндре за единицу времени поступило как можно больше воздуха, желательно максимально увеличить частоту вращения двигателя. Однако максимальная частота вращения ограничена предельно допустимыми величинами средней скорости поршня, которая при малой массе возвратно-движущихся частей кривошипно-шатунного механизма может достигать 18-24 м/с. Стремясь поднять мощность двигателя, идут по пути увеличения числа цилиндров при том же рабочем объеме и уменьшения хода поршня.

Учитывая сложность исполнения многоцилиндровых двигателей и большое количество подшипников, трущихся сопряжений, в практике число цилиндров, как правило, не превышает двенадцати. Вместе с тем увеличение числа цилиндров и применение короткоходных схем – не единственные методы получения высокой литровой мощности. Многое зависит от среднего эффективного давления, которое в свою очередь в значительной степени определяется коэффициентом наполнения, механическим КПД и степенью сжатия.

Для хорошего наполнения цилиндров большую роль играет время-сечение открытия клапанов, величина гидравлического сопротивления впускных трактов, температура поступающей в цилиндры рабочей смеси, полнота очистки камеры сгорания отработавших газов, давление воздуха перед впускным клапаном в момент его закрытия. В двигателях гоночных автомобилей, как правило применяется система газораспределения с четырьмя клапанами в одной головке; это позволяет увеличить суммарное проходное сечение клапанов при относительно малом подъеме и массе элементов механизма газораспределения, что весьма благоприятно с

точки зрения кинематики механизма высокооборотного двигателя. Механизмы газораспределения с принудительным поворотом клапанов являются исключением; обычно применяют механизм газораспределения с верхним расположением клапанов и двумя кулачковыми валами для каждого ряда цилиндров.

Чаще всего применяются легкие цилиндрические толкатели, что позволяет отказаться даже от легких коромысел между кулачком и клапаном. Цилиндрические толкатели обеспечивают равномерный износ поверхностей цилиндра. Кроме того, толкатель имеет большую площадь соприкосновения с кулачком, ее легко смазывать и там самым повышать долговечность сопряжения. Цилиндрические толкатели хорошо воспринимают боковые нагрузки, разгружая от них стержень и направляющую втулку клапана, клапан в направляющей не перекашивается и закон подъема клапана не нарушается. Менее удобная регулировка зазора в клапанном механизме в этом случае не играет большой роли и компенсируется более высокой долговечностью и надежностью такого механизма газораспределения.

Хороший коэффициент гидравлического сопротивления клапана можно получить увеличением наклона оси клапана к оси канала, при этом эффективнее используется проходное сечение впускного отверстия по всей окружности клапана. Это опять-таки проще осуществить у клапанов малого диаметра при четырехклапанной схеме.

Наибольших успехов в наполнении и очистке цилиндров от отработавших газов было достигнуто в двигателях гоночных автомобилей путем использования энергии колебаний потока во впускном и выпускном трактах двигателя. Это предполагает наличие специальных впускного и выпускного каналов для каждого цилиндра отдельно, причем длина каналов должна быть строго одинаковой. Иногда это связано со значительным усложнением конфигурации выпускного канала, но зато позволяет увеличить коэффициент наполнения более чем на 100%.

Большое влияние на величину среднего эффективного давления оказывает степень сжатия двигателя, которая у двигателей гоночных автомобилей может иногда достигать 12:1. При дальнейшем увеличении степени сжатия увеличение мощности незначительно, тогда как постоянно возрастающие величины давления газов приводят к увеличению нагрузок на кривошипно-шатунный механизм.

Величина среднего эффективного давления также зависит от механического КПД двигателя, который можно увеличить прежде всего уменьшением потерь на трение в сопряжении поршень – стенки цилиндра путем облегчения кривошипно-шатунного механизма. Для изготовления шатунов иногда применяются легкие сплавы титана. Применяются поршни с минимальным числом поршневых колец, обычно не больше двух. Размеры шеек коленчатого вала минимальны, чтобы сила трения действовала на минимальном плече. Диаметр шатунной шейки также влияет на ее массу. Разбрызгивание масла в сухом картере может быть предотвращено установкой специальных маслоотражательных экранов. Цилиндрическая форма картера позволяет уменьшить потери на трение от вихревого движения воздуха в картере. Вспомогательные направляющие и распределительные устройства устанавливают в подшипниках качения.

Гоночный двигатель Мерседес-Бенц характерен широким использованием подшипников качения, которые применены даже для установки коленчатого вала. Для лучшего охлаждения головка блока отлита вместе с блоком цилиндров, что позволяет обеспечить надежный теплоотвод от стенок камеры сгорания и седел выпускных клапанов. Одновременно устраняются проблемы, связанные с необходимостью уплотнять разъем между головкой блока и блоком цилиндров. Выпускной канал имеет малую длину, прямолинеен и хорошо охлаждается водой. Впускной канал не требует интенсивного охлаждения. Вывод впускного канала под углом к оси цилиндра снижает величину аэродинамического сопротивления, потому что поток воздуха почти прямолинеен.

На данном двигателе был применен десмодромный механизм газораспределения, в котором клапан жестко соединен с толкателем. На толкатель снизу опирается изогнутый рычаг, другое плечо которого перемещается по вспомогательному кулачку и служит для принудительного запирания клапанов вместо клапанной пружины.

Хорошо проявили себя на гоночных автомобилях двигатели воздушного охлаждения Порше. Между кулачком и клапаном установлено короткое коромысло. Однако на последнем двигателе Порше 917 применены цилиндрические толкатели. Крутящий момент в двигателе Порше 917 снимается с середины коленчатого вала, что устраняет вероятность возникновения крутильных колебаний в нем при высоких частотах вращения. Очень тщательно отработан впускной канал двигателя Форд гоночного автомобиля. Этот канал значительно наклонен к оси цилиндра и постепенно сужается от горловины карбюратора к клапану. На рисунке хорошо видна форсунка для впрыска бензина. Клапаны приводятся цилиндрическими толкателями с цилиндрической поверхностью соприкосновения с кулачком, что приводит к необходимости фиксации толкателя от проворачивания. Длина канала тщательно подобрана с целью полного использования энергии колебаний давления для лучшего наполнения цилиндров. Впрыск бензина позволяет устранить диффузор карбюратора, который нарушает колебательные явления и сокращает поступление воздуха в цилиндры.

Поступившая в цилиндры рабочая смесь должна иметь как можно более низкую температуру, так как от температуры зависит степень наполнения. Поэтому в гоночных автомобилях забор воздуха для подачи в цилиндры осуществляется специальным воздухозаборником над головой водителя; тем самым для улучшения наполнения используется также динамический напор воздуха, обусловленный движением автомобиля. Поскольку было решено применять топлива на спиртовой основе, удалось за счет испарения спирта значительно снизить температуру рабочей смеси, поступающей в цилиндры. Кроме того, спирто-воздушные смеси сгорают более полно за счет кислорода, содержащегося в спирте, что позволяет увеличить мощность двигателя. Более быстрое возгорание рабочей смеси на высоких частотах вращения обеспечивается двойным воспламенением.

Существенное увеличение мощности двигателя достигается наддувом, который снова начинают применять для двигателей гоночных автомобилей. В данном случае в основном используются турбонагнетатели, приводимые отработавшими газами. Как сжатие, так и расширение в таком двигателе происходит двухстадийно, так что удельный расход топлива практически не увеличивается. Большие успехи в этом направлении были достигнуты в двигателях Порше и Оффенгаузер. Двигатель Порше служит примером удачного применения высокого наддува в двигателях с воздушным охлаждением, а двигатель Оффенгаузер, хотя и имеет всего четыре цилиндра, оказался конкурентоспособным с современными миогоцилиндровыми двигателями в гонках в Индиан-полисе.

В настоящее время в гонках формулы 1 больших успехов добились двигатели Форд Косворт, отработанные по мощностным параметрам лучшими специалистами. Этот восьмицилиндровый двигатель имеет высокую надежность, которая в современных гонках иногда становится решающим фактором для достижения успеха. Более благоприятные мощностные характеристики имеют 12-цилиндровые двигатели. На показан разрез 12-цилиндрового двигателя Форд Веслейк, конструкция которого типична для современных двигателей гоночных автомобилей. В каждом цилиндре имеются четыре клапана, приводимые от двух кулачковых валов с помощью цилиндрических толкателей. Запальная свеча расположена по оси двигателя. Иногда в каждом цилиндре устанавливают по три свечи зажигания. Оба ряда клапанов сходятся под малым углом порядка 30-40 градусов. При наличии плоской формы камеры сгорания, она лучше очищается и снижается масса поршня.

В двигателе Веслейк применен впрыск бензина системы Лукас.

К кузовам автомобилей формулы 1 предъявляются иные требования, чем к кузовам спортивных автомобилей. Коэффициент сопротивления воздуха открытых автомобилей с открытыми колесами бывает от 0,625 до 0,875. Поэтому для снижения сопротивления автомобиля идут по пути уменьшения площади лобового сопротивления. Почти горизонтальное положение водителя и размещенный сзади двигатель позволяют довести площадь лобового сопротивления автомобилей формулы F1 и F2 вместе с колесами и с подвеской до 0,87-1,05 м. кв.

Большое сопротивление воздуха имеют вращающиеся колеся. Данные о величине сопротивления кузова и вращающихся колес весьма различны, но во всех случаях сопротивление колес превалирует и составляет 65-90% от полного лобового сопротивления автомобиля. Поэтому кузов продлевают вперед, а в зоне колесных ниш кузов расширяют, чтобы хотя бы частично закрыть колеса. Соответствующие правила разрешают иметь максимальную1 ширину кузова перед передними колесами, равную 1500 мм, а в средней части автомобиля - 1400 мм. Эти размеры всегда используются полностью для закрытия передних колес, топливного бака, располагаемого между мостами, а также для частичного закрытия задних колес. Для снижения аэродинамического сопротивления часто применяют сдвоенные передние оси с четырьмя колесами малого диаметра.

Верхняя точка колеса движется со скоростью, вдвое превышающей среднюю скорость автомобиля, а учитывая, что сопротивление воздуха пропорционально квадрату скорости, аэродинамическое сопротивление вращающегося колеса будет значительным. Насколько оно выше по сравнению с неподвижным колесом, количественно точно не определено. По результатам различных измерений, выполненных на моделях и натурных образцах автомобилей, увеличение полного сопротивления колеблется от 3 до 12%.

Малая масса гоночных автомобилей предопределяет малые нагрузки на заднюю и переднюю оси. Малая нагрузка на переднюю ось ухудшает управляемость автомобиля, а малая нагрузка на задний мост ограничивает возможности переноса усилия торможения и крутящего момента на дорогу, что ведет к пробуксовке колес.

Увеличение нагрузок на оси аэродинамическими методами улучшает сцепление колес с дорогой. Поскольку это не связано с увеличением массы автомобиля, появляется возможность быстрее проходить повороты и более интенсивно разгонять автомобиль. Поэтому спойлеры (аэродинамические крылья) начали устанавливать сзади, а позднее и спереди, для улучшения управляемости и устойчивости автомобиля. Подобрав конфигурацию переднего и заднего спойлеров, можно добиться избыточной поворачиваемости при малых скоростях автомобиля и недостаточной поворачиваемости при высоких скоростях, что весьма желательно.

Встречный динамический напор воздуха используется как для охлаждения двигателя, так и для лучшего его наполнения. Перемещение радиатора системы охлаждения из передней части автомобиля в заднюю, к двигателю, позволяет резко укоротить водные коммуникации и получить более совершенную форму передка кузова. Его установка перед задними колесами не дает увеличения площади лобового сопротивления и обеспечивает достаточный телдоотвод. Напор воздуха в воздухоприемнике над головой водителя используется главным образом для охлаждения впускного трубопровода, и лишь небольшая часть этого напора используется для увеличения коэффициента наполнения двигателя.

Изменяя угол атаки спойлера, можно создать необходимую нагрузку на оси автомобиля, но при этом возрастает также аэродинамическое сопротивление и сопротивление качению колес, поэтому целесообразно, чтобы на прямолинейных скоростных участках трассы угол атаки спойлеров был минимальным и увеличивался в случае торможения, прохождения поворотов и последующем разгоне автомобиля.