ИСКУССТВО СТРОИТЬ АВТОМОБИЛИ
ИСКУССТВО СТРОИТЬ АВТОМОБИЛИ
– Так что же все-таки автомобиль? Модернизированная телега? Карета, которую с бешеной скоростью мчат лошади-невидимки?
– Скорее автомобиль – это дом на колесах. А если хотите более лирическое определение, автомобиль – это красота в движении.
Один из величайших архитекторов и дизайнеров нашего времени, Ле-Корбюзье (Франция), так понимал термин «архитектура»: «…Искусство строить дома, дворцы или храмы, суда, автомобили, вагоны, самолеты; домашнее, промышленное или торговое оборудование…» (надо заметить, что по-французски «строить» – constuire, то есть конструировать).
Очень точное определение! Вдвойне точное! Оно не ограничивает область архитектуры зданиями и одновременно расширяет понятие «искусство», включая в него техническое мастерство, необходимое для создания хороших современных машин. Расширяется и понятие «конструировать»; в него как бы включается изготовление машины.
Вооружившись определением Ле-Корбюзье, уместно сравнить автомобиль с архитектурным сооружением в обычном понимании. Он, как и здание, является прежде всего помещением для людей или грузов. Он построен по законам строительной механики, имеет пространственную композицию. И по масштабам он соизмерим со строением. У него есть окна, двери, ступени, вентиляция, отопление, мебель. Автомобили – часть архитектурного ансамбля. Для них строят гаражи, подъезды и ворота, мосты и тоннели, заправочные станции и станции обслуживания, делают дороги и планируют города.
Эти размышления приводят к правильной оценке конструкции автомобиля, его красоты в широком смысле слова.
Быстроходный спортивный автомобиль должен быть устойчивым, обтекаемым, очень приземистым, а значит, и сравнительно длинным. Гонщики и спортсмены готовы мириться с низкой посадкой, сравнительно узкой и невысокой дверью. Наверное, найдутся люди, которые предпочли бы ехать и в такси гоночного вида, хотя таких людей будет немного. Большинство же пассажиров такси заинтересовано в том, чтобы приятно было ехать, удобно ставить багаж, а водители – в том, чтобы машина была маневренной, легкой в управлении, надежной. Значит, как бы ни был красив стремительный гоночный автомобиль, его форма для такси не годится. И наоборот – высокая и короткая форма специального такси неприемлема для спортивной машины. Но обе машины могут быть по-своему красивыми, если они сделаны с соблюдением требований, из которых первое – соответствие конструкции машины ее назначению, ее исправная и эффективная работа.
Второе требование относится к частям машины, с которыми непосредственно соприкасается человек, прежде всего к рабочему месту водителя: близко расположенные, удобные рычаги и рукоятки; легко читаемые приборы; комфортабельное сиденье. Недопустимы слишком тугие органы управления, острые кромки ручек, ослепительно блестящие украшения, яркие фирменные надписи. С такой же заботой должен подходить архитектор машины к пассажирским местам автомобиля, к точкам обслуживания механизмов.
Третье. Человеку, пользующемуся машиной, в общем, все равно, каким способом она изготовлена, лишь бы она была недорогой и хорошо служила. Но наш современник так уж воспитан, что он дает положительную оценку той конструкции, в которой с первого взгляда видны совершенство технологических методов, остроумные решения деталей, способов их соединения. Есть, например, автомобильные кузова, на которых не видно сварочных швов. Это красиво. Но это означает, что при изготовлении кузова затрачено много труда (и повышена цена машины). Лучше, если конструктор не побоится оставить видимыми стыки отдельных панелей, поработав над таким их расположением и конфигурацией, чтобы они «читались». Так и сделаны современные автомобили.
Четвертое требование: конструкция должна быть новой, оригинальной. Конечно, и древняя конструкция может вызывать восхищение, но при этом надо учитывать условия, в которых она создавалась. Если современная конструкция повторяет уже известные модели, то она не больше чем копия картины знаменитого художника. Любуясь конструкцией, как и копией картины, люди будут хвалить копииста за умелое, мастерское подражание. Или будут восхищаться автором оригинала, забыв о копиисте.
До сих пор речь шла и о конструкции механизмов, и об интерьере, и о внешности автомобиля. Но к последней относится еще ряд требований.
Из них, вероятно, важнейшее – так называемая информативность машины. Это ее способность снабжать человека правильными сведениями о себе самой и давать ему возможность получать иную информацию, необходимую при пользовании машиной. Вот для примера автопогрузчик, работающий в аэропорту. Водителю необходимо видеть все пространство вокруг погрузчика, крайние его точки, высоко расположенный люк самолета. Значит, нужны большие окна кабины, в том числе и на лобовой части крыши. С другой стороны, сам погрузчик должен быть отчетливо виден, даже в туманную погоду и в темноте, пилоту приземлившегося самолета, диспетчеру на вышке аэровокзала. Значит, погрузчик должен быть ярко окрашен, его стрела, захваты, колеса покрыты особо заметной, предупредительной окраской для безопасности находящихся поблизости пассажиров и обслуживающего персонала. Кроме того, должны иметься краткие, но доходчивые надписи по обслуживанию машины. А когда погрузчик, выехав на площадь перед аэровокзалом, вливается в поток транспорта, ему необходимы указатели поворота, городской номер. Стоит все это предусмотреть заранее, и тогда машина и без украшений будет красивой!
Итак, если конструкция функциональна, удобна для человека, технологична, оригинальна, информативна, да еще и тщательно отделана, то она понравится большинству людей, покажется им совершенной и привлекательной. Перечисленные качества можно ей придать и без участия художника, архитектора, как говорят, «по науке».
Но чисто художественные задачи еще впереди. Чтобы машина была по-настоящему красивой, в ее внешнем виде должна быть гармония, стройная согласованность отдельных ее частей. За основу композиции архитектор берет задуманную им геометрическую систему, обеспечивает приятные для глаза соотношения отдельных ее объемов, предусматривает, если нужно, разбивку поверхности выступами, выштамповками или цветом.
Едва ли не главная черта красивой композиции автомобиля – простота.
Примером целесообразного упрощения может служить московский сочлененный троллейбус завода СВАРЗ. Раньше его композицию строили так, чтобы замаскировать несимметричность (двери только справа) и подчеркнуть некую стремительность. Двери окрашивали в два цвета с границей цветов на уровне подоконника, чтобы правая боковина казалась сплошной. Для зрительного удлинения боковин устанавливали алюминиевые накладки и так далее. При модернизации троллейбуса учли, что обе его стороны одновременно не увидишь, что правая сторона обращена к близкому тротуару, а левую, наоборот, наблюдают с далекого противоположного и что длинная машина не нуждается еще и в оптическом вытягивании. Накладки удалены, боковины окрашены в один цвет, а двери – в другой, светлый: они как бы приглашают пассажира, показывают ему, куда идти: надписи сделаны крупно, горизонтально, на уровне глаз ожидающих на остановке пассажиров. ^ Введение этой композиции улучшило внешность троллейбуса и вместе с тем удешевило его производство.
А при работе над формой легкового автомобиля приходится учитывать стремление человека разнообразить те вещи, которыми он пользуется в повседневном быту. Ему хочется, чтобы его автомобиль не был как две капли воды похож на автомобиль соседа, чтобы машина была не только технически совершенной, с идеальными пропорциями, но п обладала известной индивидуальностью. Вот тут и нужен художник, архитектор, способный создать одухотворенную творчеством композицию, в наименьшей степени нарушающую техническое совершенство и законы гармонии.
Он не занимается «оформлением» уже спроектированной машины, как это иногда считают. Рука об руку с инженерами, а иногда и самостоятельно он анализирует взаимодействие создаваемой машины и ее потребителя – человека. В этом ему помогают острый глаз, знание анатомии. Он быстро определяет, насколько удобно или неудобно водителю пользоваться педалями и рычагами, легко ли читать показания приборов и обозревать дорогу, а пассажиру – входить в кузов и выходить из него, ремонтнику – добираться до точек смазки и обслуживания.
Художник имеет возможность показать и инженеру, и специалистам, принимающим участие в утверждении машины к производству, как она будет выглядеть. Он делает это в рисунках и моделях задолго до появления на свет первого опытного образца.
Вот почему на автомобильных заводах существуют специальные крупные подразделения, где работают художники, архитекторы, художники-конструкторы или дизайнеры. Вот почему высок авторитет автомобильных конструкторов, таких, как Д. Джакоза или Э. Бугатти, сочетающих художественные способности с инженерными.
– Красота, конечно, очень важна для автомобиля. О французах даже говорят, что красивый автомобиль они ценят выше, чем красивую женщину.
– Трудно предположить, что французы так отзываются о женщинах.
– Так что же все-таки главное в автомобиле?
– В автомобиле все главное. Если уж устанавливать очередность, то первое место займет колесо.
Нет автомобиля без колеса. Можно построить автомобиль без источника энергии на нем самом. Можно свести к минимуму детали трансмиссии. Устранить рессоры, если автомобиль рассчитан на движение исключительно по идеальным дорогам. Совместить тормоза с трансмиссией и даже с двигателем, а рулевой привод встроить в колеса. Но нельзя устранить сами колеса, без них автомобиль перестает быть автомобилем.
От правильного выбора шины и колеса зависят все качества будущего автомобиля: динамика, расход топлива, плавность хода, проходимость, устойчивость, безопасность движения. С характеристикой колеса теснейшим образом связана конструкция трансмиссии и даже двигателя, мостов, подвески, тормозов. Размеры колес определяют объем колесных кожухов, а значит, и планировку кузова, и удобства для пассажиров, и обтекаемость формы автомобиля.
На первых автомобилях устанавливали деревянные колеса кареты, затянутые в железный обод, или велосипедные огромного диаметра. Потом пришли к мысли штамповать их из тонкого стального листа с ребрами для повышения прочности и отверстиями для снижения массы или отливать из легкого сплава, формовать из пластиков.
Улучшение дорог, стремление к уменьшению высоты и массы автомобиля и многое другое вызвали постепенное сокращение диаметра колеса. Более чем метровый (вместе с шиной) диаметр первых легковых автомобильных колес сократился к нашему времени почти вдвое.
С развитием колеса неразрывно связано развитие шины. Даже самые хорошие дороги не могут гарантировать легкому автомобилю с жесткими колесами такой плавности хода, какую обеспечивают, например, тяжелому поезду стальные рельсы, уложенные на прочном, массивном основании. Даже при установке очень мягких рессор механизмы первых, не снабженных пневматическими шинами автомобилей не были защищены от непрестанных ударов при езде по дорогам того времени. Автомобили начинали разваливаться на части: рассыпались колеса, ломались рессоры, рули «били по рукам», ослаблялось крепление двигателей, трещали по швам кузова. Конструкторы пытались усиливать, утолщать части автомобиля, и он становился тяжелее. Чтобы привести его в действие, ставили более мощный двигатель, масса машины возрастала еще больше, а удары колес на выбоинах и ухабах становились еще сильней, чем до этого.
«Заколдованный круг» удалось разомкнуть только тогда, когда на колеса автомобиля надели пневматические шины. Это способствовало уменьшению массы автомобиля примерно в полтора раза, удлинило срок его службы, сделало езду спокойной и удобной, дало ему возможность передвигаться со скоростью, о которой в XIX веке и не мечтали. Пневматические шины были теми семимильными сапогами, без которых современный автомобиль оставался бы механической телегой.
Конструкторы долго бились над созданием надежной шины. Первые шины лопались буквально на каждом шагу. В начале XX века самые лучшие, сделанные на заказ для гонок, приходилось менять на протяжении двух-трех сотен километров десятки раз. Можно без преувеличения сказать, что современные шины сделали бы самый тихоходный автомобиль начала века победителем любой гонки того времени.
Сначала шина была попросту кольцом из пожарного рукава, наполненным водой или накачанным воздухом. Кольцо (камеру) заключили в покрышку, защищавшую его от подковных гвоздей. Чтобы облегчить смену шин, снабдили колесо съемным ободом, а затем сделали легкосъемными и колеса. Теперь отказываются от отдельной камеры; ею становится сама покрышка, плотно прилегающая к ободу колеса. Изменяется конструкция самой покрышки. Словом, идет непрерывный процесс совершенствования шины, но одно в ней остается неизменным – это воздух. Он-то главным образом и несет нагрузку от автомобиля. И поэтому существует единый для всяких пневматических шин – старых, новых и будущих, высокого и низкого давления, малых и больших, камерных и бескамерных, кордовых, диагональных и радиальных – закон грузоподъемности шины.
В основе этого закона лежит предпосылка, что на единицу количества воздуха, находящегося в шине, должно приходиться всегда одинаковое количество килограммов нагрузки. Другими словами, отношение нагрузки, приходящейся на колесо, к количеству сжатого воздуха в камере шины должно быть постоянным. Чем больше нагрузка, тем большим должен быть внутренний объем шины при определенном давлении в ней. Увеличивая объем, можно уменьшить давление, и наоборот. Изменять объем не обязательно за счет общего наружного диаметра колеса с шиной, можно делать ее шире, сохранять диаметр обода, причем последняя мера более эффективна. Именно она способствует уменьшению диаметра и массы колеса.
Теория шин сейчас уже хорошо разработана, и конструктор располагает подробными о них сведениями, номограммами и стандартами для выбора их параметров. Ход его действий примерно таков.
На основе предварительных расчетов и наметок он устанавливает желательный по компоновочным соображениям диаметр колеса, приходящуюся на него нагрузку и давление в шине, которое обеспечивало бы требуемые плавность хода автомобиля и сопротивление качению. Потом подсчитывает объем камеры.
В свое время противники малого колеса утверждали, что оно будет оказывать сильное сопротивление движению машины, застревать в рытвинах и вообще не годится для плохой дороги, что тряска возрастет, а устойчивость автомобиля ухудшится.
Конечно, речь не идет о тяжелом бездорожье, для движения по которому существуют вездеходы. Но если высота неровности, даже порога, не превышает примерно половины радиуса колеса, то оно не остановится. Для преодоления порога потребуется лишь большее усилие. А удар малого колеса о порог будет относительно слабее, чем удар большого, поскольку колесо отделено рессорой от всей массы автомобиля.
Есть у малого колеса еще одно достоинство – его соответствие современному автомобильному двигателю.
Оно до некоторой степени компенсирует его быстроходность. Но об этом особый разговор.
Перечень причин, вынуждающих уменьшать колеса, не исчерпан. Есть еще такое понятие, как момент инерции вращающихся масс. Это значит, что чем больше масса колеса, тем труднее его «раскрутить» или затормозить. А от этого зависит и быстрота разгона автомобиля (и потребная для этого мощность!), и, значит, средняя скорость движения.
Разумеется, детали малого колеса должны быть прочными; с этим приходится считаться.
– Хоть все и привыкли уже к малым колесам, например на «Жигулях», все же трудно освободиться от убеждения в преимуществе больших.
– Глубокое заблуждение! Кстати, так думаете не только вы.
– Возможно. Но скорость! Ведь за каждый оборот малое колесо проходит и малый путь, значит, автомобиль движется медленнее, чем на больших колесах!
– Это не значит, что стриж должен летать медленнее вороны, потому что у той крылья больше?
Когда записывают в техническое задание на автомобиль определенную максимальную скорость, то исходят прежде всего из необходимости быстрейшей до
ставки пассажиров или груза. Но возможность обеспечить быструю доставку складывается из целого ряда факторов. Тут и способность человека безопасно управлять автомобилем на высокой скорости, и реальные дорожные условия, и расход топлива, и другие расходы, неизбежно возрастающие с увеличением скорости. На автомобиле можно достигнуть огромной скорости. Мировой рекорд превышает тысячу километров в час, гоночные автомобили развивают на отдельных участках трасс 300 и более, а в среднем по всей трассе – свыше 200 километров. Существует немало легковых автомобилей, в технической характеристике которых записана такая максимальная скорость, например ЗИЛ-117.
Но ни у одного автомобиля диаметр колес не увеличивали для достижения высокой скорости.
Определенная скорость достигается в том случае, если мощности двигателя достаточно, чтобы преодолеть сопротивление, которое испытывает при этой скорости автомобиль. А оно складывается из трех величин, и все они связаны с трением: между вращающимися и вообще движущимися частями механизмов (внутренние потери), между шинами и дорогой (сопротивление качению), между кузовом и частицами воздуха (сопротивление воздуха).
Внутренние потери механизмов, как известно из опыта, составляют около 1/10 передаваемой ими мощности, то есть до колес доходит около 9/10 мощности двигателя. Сопротивление качению увеличивается примерно в прямой зависимости от массы автомобиля, от скорости, от уменьшения давления в шинах, качества их поверхности и поверхности дороги; на низких скоростях на него затрачивается почти вся передаваемая колесам небольшая мощность, на высоких – около половины максимальной мощности. Остальное уходит на сопротивление воздуха, зависящее от размеров и формы автомобиля; оно тем больше, чем шире и выше кузов, чем больше завихрений воздушного потока вызывает движение машины.
Как видно, диаметр колес во всех этих расчетах не участвует. Он появляется только в тот момент, когда, подсчитав общее сопротивление, конструктор выбирает нужную мощность двигателя и узнает скорость вращения его вала, при которой эта мощность достигается. Короче, когда дело доходит до расчета передаточного числа трансмиссии, которое принято обозначать буквой «I».
Валы современных двигателей вращаются со скоростью шесть-семь и более тысяч оборотов в минуту. Если это вращение передавать на колеса того же ЗИЛ-117, то он разовьет скорость около тысячи километров в час! Куда уж тут увеличивать диаметр. Надо, наоборот, уменьшать его в несколько раз! Чтобы этого не делать, в трансмиссии между двигателем и колесами (в главной передаче заднего моста) предусматривают пару шестерен, редуктор, уменьшающий число оборотов в r? раз. Оно, это r? , равно частному от деления числа зубьев ведомой шестерни на число зубьев ведущей.
Кое-кто считает, что, введя в трансмиссию передачу, можно увеличить мощность, подводимую к колесам, как бы сделать автомобиль более мощным. Это неверно: передача изменяет не мощность, а усилие, подводимое к колесам. Так что никакие махинации с диаметром колес и числом зубьев шестерен не дают возможности увеличивать максимальную скорость.
Задача конструктора – еще на стадии компоновки машины согласовать все будущие элементы, от которых зависит ее нормальное движение: мощность двигателя, скорость вращения его вала, массу автомобиля, размеры и форму его кузова, характеристику шин, передаточное число главной передачи.
Вот тут-то и возникает необходимость в уточнении диаметра шин. Ведь уменьшая его в допустимых пределах, как бы увеличивают опять-таки передаточное число, тем самым получают возможность уменьшить его в главной передаче. А это очень важно. Дело в том, что число зубьев и размеры ведущей шестерни невозможно уменьшать беспредельно; обычно она имеет семь-десять зубьев (обязательно целое число, ползуба или четверть зуба для шестерни так же плохо, как и для человека). Чтобы уменьшить скорость вращения колес (увеличить r? ), конструктор вынужден увеличивать размеры ведомой шестерни, от этого уменьшается просвет между автомобилем и дорогой, ухудшается проходимость автомобиля.
Можно обеспечить автомобиле очень высокую максимальную скорость, но на практике – в уличном движении с частыми остановками, замедлениями хода, торможениям», разгонами – он окажется тихоходным, если не обеспечена так называемая динамика разгона. А она зависит, кроме момента инерции колес и других вращающихся частей, еще и от правильного подбора всех r (не только r? ) – передаточных чисел в трансмиссии.
Нужно помнить, что всякую повозку, будь то тачка или автомобиль, легко катить после разгона, но трудно сдвинуть с места и разогнать, так как действует инерция покоя. Сила двигателя рассчитана на движение автомобиля уже после разгона. А для разгона, при движении на подъем и по трудной грунтовой дороге силу двигателя умножают пары шестерен коробки передач. Иначе пришлось бы ставить на автомобиль очень мощный и тяжелый двигатель.
История техники знает автомобили без коробок передач. Была, например, машина «майбах» с таким сильным двигателем, что она могла тронуться с места, разогнаться и двигаться вплоть до максимальной скорости на одной и той же передаче. Но машина весила три тонны и расходовала более 30 литров бензина на 100 километров – втрое больше, чем обычный автомобиль.
Передач в коробке обычно четыре, иногда больше. У первой пары ведомая шестерня имеет примерно вчетверо больше зубьев, чем ведущая, то есть ведомая вращается вчетверо медленнее, но передает колесам вчетверо большую силу.
После недолгого разгона на первой передаче включают вторую (у нее передаточное число уже вдвое меньше). Потом еще более «быструю» – третью. Наконец, четвертую. Автомобиль, как по ступеням, достигает нужной скорости. Отсюда и названия коробок передач – четырехступенчатая, пятиступенчатая и т. д.
Для небыстрого движения по асфальту автомобилю требуется значительно меньшая сила тяги, чем он может развить даже на высшей передаче. Как говорят, автомобиль обладает запасом тяги, необходимым для движения на подъем, для обгона другого автомобиля.
На проселочной дороге дело несколько меняется. Незначительное отклонение от скорости, соответствующей наибольшему крутящему моменту двигателя, вызывает необходимость включать следующую перёдачу. Для движения по песку тяговой силы на высшей передаче вообще недостаточно, а на низших передачах движение возможно лишь с определенной скоростью.
Вот что заботит конструктора еще до того, как он встает за доску «кульмана» и наносит на бумаге первые линии будущего автомобиля.
– Что же изображают эти первые линии?
– Печка, от которой долгое время танцевали конструкторы – это колесная база.
Расстояние между колесами иной раз выбирали примерно так: у машин-конкурентов база находится в пределах, скажем, 2300-2450 миллиметров; прибавим еще полсотни! Чем больше база, тем лучше автомобиль!
С размером базы связаны главным образом пять качеств автомобиля – устойчивость, маневренность, плавность хода, удобства пассажирского помещения и проходимость по плохим дорогам. Но ни об одном из них нельзя сказать категорически: чем меньше или чем больше база, тем оно лучше.
Труднее всего разобраться в устойчивости автомобиля. Она зависит от многих факторов. Их так много, что даже на перечисление уйдет немало времени. Стоит ограничиться тремя самыми главными, которые связаны с действием боковых сил – центробежной силы на поворотах, силы ветра и поперечного уклона дороги. Они могут вызвать увод автомобиля с заданного направления, боковое скольжение (занос) и опрокидывание.
Начнем с заноса. При этом условимся, что сравнивать будем автомобили одинаковой длины, с равномерно распределенными массами, но с разными базами.
Вот короткобазный автомобиль. Стоит возникнуть заносу – и массы, вынесенные за пределы колесной базы, могут ускорить его действие.
Но занос – явление сравнительно редкое, оно типично, как правило, лишь для езды по скользкой дороге. А увод автомобиля сказывается почти всегда. Автомобиль не идет строго по прямой. Под действием каких- то сил он постоянно совершает незаметные отклонения от нее. Именно поэтому водитель все время работает рулем, направляя машину по заданному пути. Чем меньше усилий он прилагает к рулю, тем устойчивее и безопаснее машина.
Увод автомобиля зависит от увода шин и размеров базы, а увод шин – от их эластичности, в частности от давления воздуха в них, от распределения масс и от устройства рессорной подвески. И здесь следует упростить задачу, не затрагивать подробно все особенности, ограничиться главными.
Что же такое увод шины? Для ответа нужно представить себе колесо с шиной из прозрачных материалов и посмотреть на такое колесо сверху. Вот оно катится. Боковой силы нет. Плоскость, проведенная посередине колеса, видна как линия, параллельная направлению движения. Появилась боковая сила. Она давит на кузов, раму, рессоры, через них – на колеса. Шина – эластичная; в нижней ее части она цепко держится за дорогу выступами протектора, шершавой поверхностью резины. А в средней части боковая сила сдвигает и колесо, и зажатую его ободом шину. Под действием силы шина в нижней части деформируется. Если бы колесо не вращалось, оно сместилось бы вбок вместё со всей массой автомобиля. Средняя плоскость колеса (средняя линия) была бы параллельной оси отпечатка шины, а ось отпечатка осталась бы на прежнем месте. Но колесо катится, и смещенные вбок точки шины перебегают в передней его половине сверху вниз и по направлению к точке контакта с дорогой. Ось отпечатка перекашивается, и колесо идет уже не туда, куда направлена его средняя плоскость, а по направлению перекошенной оси отпечатка. Шины уводят автомобиль в сторону.
На увод шин можно влиять прежде всего, изменяя давление в шинах. Чем выше давление, тем жестче шина и тем меньше ее увод, то есть меньше угол между осью отпечатка и плоскостью колеса. Угол увода можно менять как конструкцией подвески, так и нагрузкой на колесо. Следовательно, можно предусмотреть больший угол отдельно для задних или для передних колес. Зачем это может понадобиться?
Допустим, что передние шины жесткие и не подвержены уводу. Они всегда идут по заданному направлению. Задние же колеса из-за низкого давления в шинах чутко реагируют на действие боковых сил и уводят заднюю часть автомобиля с прямой, а на повороте заставляют его поворачиваться круче, чем это задано; центробежная сила возрастает. Случается, что усилий водителя оказывается недостаточно для противодействия уводу.
В другом случае, допустим, уводу не подвержены сильно накачанные задние шины, и на боковые силы реагируют только передние. Они уводят передний конец автомобиля по направлению действия боковой силы. На прямой дороге водитель, как и в первом случае, подправляет ход машины небольшими поворотами руля, а при прохождении кривой автомобиль стремится идти по большей окружности; центробежная сила уменьшается, и водителю приходится лишь прилагать некоторое дополнительное усилие к рулевому колесу.
Подбирая соответствующую эластичность передних и задних колес, можно возместить недостаточную устойчивость автомобиля, вызванную невыгодным распределением масс или короткой базой. Чем меньше база, тем меньшая разница в углах увода передних и задних колес необходима для хорошей управляемости автомобиля.
Значит, укорочение базы автомобиля не только выгодно по соображениям маневренности, но и не обязательно нарушает его устойчивость.
Ну а плавность хода? Ведь автомобиль с короткой базой и длинными свесами кузова легче раскачать? Да, если качать его за буфер. Но толчки передаются на кузов там, где расположены рессоры или пружины, то есть около колес. В чем разница? Тут уместно сравнить автомобиль с… доской. Если пытаться поднять ее за конец, то придется затратить некое усилие, если же за середину – то большее. Продолжив сравнение (доска – масса автомобиля, движения рук – работа колес и подвески), можно прийти к такому заключению: чем короче база, тем сильнее должен быть удар колеса, чтобы вывести массу автомобиля из состояния покоя или установившегося движения. Конечно, на рессоры придется большая нагрузка. Но их можно усилить. Значит, короткобазный автомобиль не обязательно склонен к качке. Убедительный пример: у автомобиля «Победа» база заметно короче, чем у предшественницы – «эмки», а плавность хода несравненно лучше.
Но раз база короткая, значит (при равной длине автомобиля), «хвосты» кузова спереди и сзади, так называемые свесы, более длинные. Для улучшения проходимости нужно, чтобы задний свес был короче переднего: тогда появляется гарантия, что если пройдет, не задев за дорогу, передний конец кузова, то пройдет и задний, который в иных условиях плохо поддается контролю водителя. На новейших моделях автомобилей так и сделано.
С чего же все-таки конструктор начинает проектировать автомобиль? С базы? Нет. С размещения людей и с размеров колес. Потом располагает колеса так, чтобы они не мешали людям, то есть устанавливает базу. А потом уж находит конструктивные решения отдельных механизмов и узлов, которые обеспечили бы необходимые ходовые качества автомобиля.
– Но вы сами нарушаете этот порядок!
– Не больше, чем архитектор, если он сначала делает, как говорят, ориентировочную привязку будущего здания к местности, а затем разрабатывает его планировку. Займемся теперь и мы размещением людей, главным образом – водителя.
– Понятно: значит, главное в любом автомобиле – это человек?
Водитель, будь то владелец автомобиля или профессионал, пользуется автомобилем больше, чем кто-либо другой, находится постоянно в автомобиле во время его движения, да еще и в отличие от пассажиров выполняет трудную работу. А в личном автомобиле он еще и главный пассажир (согласно статистике, средняя загрузка автомобиля составляет – 1,2 – 1,7 человека, включая водителя), а на грузовом или специальном - чаще всего и вовсе единственный. От устройства рабочего места зависят психофизическое состояние водителя, его утомляемость и производительность его труда.
Положение автомобильного водителя в кругу его спутников-пассажиров прошло в своем развитии несколько стадий.
На самой ранней из них водители паровых автомобилей назывались кочегарами («шофер» по-французски – кочегар), и для получения водительских прав нужно было сдавать сложный экзамен на паровозного машиниста. Шоферы получали почти инженерную специальность, которая была связана с опасностью, риском. Они становились людьми особого рода, вроде авиаторов 20-х годов или нынешних космонавтов. С той поры сохранилось слово «шофер», оно бытует по сей день, хотя у автомобиля давно нет топки. Иногда в отличие от водителя-автолюбителя, владельца автомобиля или спортсмена шофером называют водителя профессионального, работающего по найму, каким и был вначале шофер. Любителю обращение с паровым автомобилем было не под силу.
Общественное положение шофера резко изменилось, правда, ненадолго, когда появились автомобили с двигателем внутреннего сгорания. По замыслу их изобретателей они тем-то и отличались от паровых, что были просты, всегда готовы к действию, – словом, доступ ны каждому, все равно что экипажи с лошадьми в упряжке. Они и выглядели как экипажи, и водители в них сидели вместе с пассажирами.
Однако действительность не соответствовала замыслам. Было еще очень далеко до настоящей доступности автомобиля каждому человеку. Впрочем, не следует забывать, что водителем был либо сам изобретатель, либо состоятельный «аматёр» (любитель). А поскольку таких было совсем немного, то если уж и можно было говорить о равноправии, демократии водителя, то лишь о равноправии избранных.
К началу нашего века управление автомобилем стало весьма опасным. Вряд ли кто-нибудь сегодня решился бы прокатиться со скоростью 50 километров в час (на это автомобили уже были способны) на неустойчивой машине без боковых стенок, ветрового стекла или с обычным хрупким оконным стеклом, без стеклоочистителя, со множеством органов управления, притом тугих, со слабенькими тормозами и ненадежными шинами! Да и автоинспекция не допустила бы ее к движению.
Автомобилист вновь и надолго утвердился в положении субъекта особого рода, одетого в балахон-пыльник с капюшоном, сапоги, перчатки с крагами и огромные очки-консервы. Большинство владельцев автомобилей снова пользовалось услугами наемных водителей, которые выполняли тяжелую и опасную работу под открытым небом, в пыли, при встречном ветре. Труд шофера тогдашнего грузовика можно было и вовсе назвать каторжным.
Следующая стадия – переходная. Число «безлошадных экипажей» росло, но еще не превзошло числа энтузиастов, пренебрегавших комфортом и безопасностью, считавших трудности неизбежными и ставивших обильный набор инструментов в заслугу автомобилю. Автомобиль же становился надежнее, безотказнее, но рабочее место водителя все еще оставалось открытым, управление машиной требовало большой сноровки и физических сил, обслуживание было частым и трудоемким.
Дальнейшее увеличение автомобильного парка привело к изменению его качественного состава; изменились требования и к автомобилю, и к функциям водителя. Конструкторы, идя навстречу потребителям, создали электрическое освещение, установили стартер, предусмотрели сменные колеса, стеклоочиститель, закрытые кузова.
«Субъект особого рода» мог теперь уступить место рядовому человеку.
Вследствие «демократизации» водитель легкового автомобиля очутился в компании пассажиров в тесном помещении закрытого кузова. Уже сама эта ситуация практически исключала (в буржуазном обществе) наемного шофера. А на дорогих представительских машинах высокого класса он был по-прежнему отделен от пассажиров. Такое различие в организации рабочего места водителя учитывало лишь социальную сторону, но не специфику управления автомобилем. И вышло так, что массовый автомобилист получил защиту от непогоды, но лишился защиты от пассажиров – от их разговоров, дыма их сигарет, от запотевших стекол. Мягкое, низкое сиденье и уменьшившаяся высота окон ухудшили обзор, затруднили управление. В угоду «красивой» симметрии интерьера приборы поместили в середине передней панели, в стороне от водителя. По соображениям унификации все это перекочевало и в кабины грузовых автомобилей. Сыграла свою роль и реклама («в кабине – как в легковой машине!»). Интересы водителя опять-таки отошли на задний план.
В нашей стране не проводили границу между пассажирами и водителем. Считалось (и считается) странным занять место в заднем отделении кузова, если место рядом с водителем свободно. К этому настолько привыкли, что правое переднее сиденье приобрело характер главного в автомобиле, предназначенного для демократичного начальства. Иной человек старого склада и сейчас, не задумываясь, садится впереди, даже если он при этом оказывается, вопреки правилам вежливости, спиной к едущим в заднем отделении кузова его супруге или друзьям.
Недостатки «кузова с внутренним управлением» (так назывались ранее закрытые кузова) ускорили распространение на автомобилях форточек, обогревателей стекол, регулируемого сиденья водителя, окон увеличенной высоты, щита приборов под рулевым колесом. Не обошлось без глупостей. До сего времени на иных автомобилях сиденье водителя регулируется… вместе с пассажирским из-за того, что оба они выполнены в виде сплошного дивана: переместив приборы с середины щита под руль, художники все же долго не могли освободиться от идеи симметрии и «уравновешивали» щит приборов сложными формами крышки вещевого ящика, ставили на нее часы и другие циферблаты.
А нынешняя стадия несет явные черты отказа от «демократизации» водителя. Кем бы он ни был, он выполняет ответственную, сложную и опасную работу, он играет главную роль в системе «человек – автомобиль – дорога», а пассажир отдыхает. Значит, не должно быть у них равных условий. Мы еще терпим пребывание пассажиров в одном помещении с водителем (да будет разрешено выразиться именно так и высказать крамольную мысль, что на всех будущих автомобилях, если управление ими не будет полностью автоматизировано, кабина водителя окажется выделенной). Но его рабочее место все более отличается и отделяется от соседнего, пассажирского: чашеобразное регулируемое сиденье, «консоль» с рычагами и приборами, отгораживающая водителя сбоку, приборы в глубоких нишах, зеркала и так далее.
Что же касается автомобилей, которыми управляют «наемные» водители – грузовых, автобусов, специальных такси, то их кабина начинает напоминать таковую на локомотиве. И правда, разве труд шофера менее тяжел и опасен, чем труд машиниста?
– Вот вы рассмотрели взаимоотношения водителя и пассажиров. Так ли они важны, если водитель чаще всего находится в одиночестве или вдвоем?
– Чтобы помешать водителю, достаточно одного человека. Но, в общем, ваш вопрос уместен. Среда работы водителя не ограничивается обществом пассажиров.
Ныне принято рассматривать водителя в системе «водитель – автомобиль – дорога».
Исходное звено системы – источники информации: дорога, ее обустройство и окружение; ее «население» (средства транспорта и пешеходы); знаки и сигналы, а также показания приборов на щитке; шумы внешние и в кузове; достигающие водителя колебания от работы двигателя и других механизмов. К источникам информации относят и пассажиров, их голоса, их движения.
Следующее звено – поступление этой информации к водителю, к его телу, ушам и особенно глазам.
Затем звено обработки информации и выдачи команд рукам и ногам водителя.
Четвертое звено – передача команд рычагам и педалям, а от них механизмам автомобиля.
Пятое – выполнение команд колесами, двигателем, осветительными и сигнальными приборами.
Наконец (шестое звено), предусмотренный водителем маневр автомобиля и соответственное изменение обстановки на дороге.
Маневр завершает определенный цикл и одновременно служит началом нового. Ведь наклон автомобиля при торможении и скрип тормозов, действие центробежной силы на повороте и перемещение предметов за окнами – все это для водителя новая информация.
Лишь первое звено водителю не подчиняется. Оно создано природой и другими людьми, оно как бы противостоит ему. И все же от него, от его манеры управления кое-что зависит, например шумы и колебания его собственного автомобиля. Но уже второе звено – это не только эффективность сигналов и размеры окон кузова, через которые поступают сигналы, но и способность водителя воспринимать их. Третье и частично четвертое звенья заложены в психофизических качествах самого водителя. Остальные же действуют полностью в соответствии с его командами, хотя, конечно, их исполнение как-то связано с совершенством конструкции автомобиля.
Что важнее, своевременное поступление информации или быстрая, точная передача команд водителя? Вряд ли удастся установить строгую шкалу значений, но можно сделать существенное общее заключение: главный член системы – водитель требует иного подхода, чем все прочие, о совершенстве которых заботятся конструкторы, строители дорог и другие специалисты. Водителя тоже можно совершенствовать, но не техническими средствами, а обучением, воспитанием, тренировкой.
Технические средства дают известную гарантию действия отдельных звеньев системы. В конструкции автомобиля заложены и такие элементы, которые помогают водителю, исправляют его оплошности, недостаточную оперативность. Например, если водитель перестает прикладывать усилие к рулевому колесу, оно само возвращается в положение «езда прямо».
А воспитание водителя лишь уменьшает вероятность его ошибок, повышает его оперативность. Каким бы квалифицированным он ни был, не исключено, что в ответственный момент он будет чем-то отвлечен от управления автомобилем или совершит не совсем точное движение. Что же говорить о менее квалифицированных, каких большинство!
Отсюда огромное значение подготовки и тренировки водителя. Но они, как известно, не зависят от конструктора, который должен выполнять элементы системы таким образом, чтобы ошибки водителя свести к минимуму. В технике такое исполнение машины иногда называют «фул-пруф» (дуракоустойчивым).
На автомобиле еще много несовершенных устройств, но число их уменьшается. Вот знакомая любому водителю ситуация – обгон на грязной дороге. Приходится оперировать рулем, включателем указателей поворота, рычагом передач и педалью сцепления, кнопками стеклоомывателя и «дворника»; если кнопка омывателя ножная, то движения левой ноги становятся прямо-таки акробатическими; ночью добавляется переключатель света фар. Тут и тренированная нога совершит неточное движение! А в новейших (но пока, увы, не у всех) автомобилях омыватель и «дворник» включаются одним нажимом пальца на кнопку, переключатель света установлен под рулевым колесом – можно одновременно управлять фарами и «мигалками», не снимая рук с руля. Вероятность ошибки водителя почти полностью исключена.
Еще лучше, если автомобиль снабжен автоматической трансмиссией и не нужно нажимать педаль сцепления. Конечно, добиваясь автоматичности действий водителя, нужно автоматизировать и другие звенья системы, в первую очередь органы управления. И постепенно автоматизация эта осуществляется. Однако вступают в действие важные факторы.
Во-первых, автоматические устройства должны быть полностью «фул-пруф», действовать абсолютно безотказно, иначе могут очень подвести водителя. Поэтому автоматику тщательно отрабатывают, выполняют приборы из материалов высокого качества, и они становятся дорогими.
Во-вторых, начинают сказываться «нетранспортные функции» автомобиля. Как уже говорилось, управление автомобилем – это не только работа, выполнение транспортной операции, но и, как знает всякий автомобилист, работа увлекательная, а то и просто приятная, своего рода спортивная игра. Иным автомобилистам нравится переключать передачи, своими силами добиваться плавности и бесшумности хода автомобиля или, наоборот, ураганного старта «в гоночном стиле». И они не очень- то стремятся к автоматике.
Но всякая игра имеет правила, которым, хочешь не хочешь, приходится подчиняться. Они меняются, совершенствуются. Когда-то в правила «игры в автомобиль» входили и получасовая подготовка к поездке, и обязательная подача сигналов во многих ситуациях, и жонглирование тремя рычагами тормозов (однако на скорости в пределах всего лишь 10-30 километров в час!), и даже остановки при встречах с пугливыми лошадьми. Рост интенсивности и скорости движения, выход на дорогу миллионов «игроков-любителей» всех возрастов требуют мгновенной готовности автомобиля и водителя к любым изменениям обстановки, запрета звуковых сигналов, постепенной автоматизации автомобиля. Сегодня «игрок» имеет дело с тремя педалями и двумя рычагами, завтра их число сократится.
Значит, действие всех механизмов автомобиля должно обеспечивать точнейшее выполнение команд водителя, а также по возможности их исправление, если они неправильные или неточные. Последняя рекомендация может опять-таки показаться нереальной.
Но вот пример, причем относящийся к форме кузова.
На высоких скоростях все большее значение приобретает аэродинамическая устойчивость автомобиля. Она зависит больше всего от формы кузова. Было время, когда под влиянием моды и стремления к каплеобразной форме кузов выполнялся с малой боковой поверхностью его задней части. Но автомобили со ступенчатым или покатым «задком» оказались весьма чувствительными к порывам бокового ветра, и водители иной раз не успевали должным образом реагировать. Известны многие случаи с трагическим исходом. Аэродинамические исследования автомобилей с килями и кузовов типа «универсал» (вроде застекленного фургона) показали выгоды увеличенной задней боковой поверхности кузова.
Автомобили-универсалы, «комби» и спортивные «со срезанным задком», оказывается, могут без участия водителя противодействовать влиянию боковых аэродинамических сил, снимают с водителя еще одну заботу.
– Если «водитель – автомобиль – дорога» – система информации – управления, то, по-моему, прежде всего нужно позаботиться о ее первой половине – приеме и передаче информации.
– Совершенно справедливо. И для этого есть немалые возможности. Тем более что информация бывает и ненужной, а то и просто вредной. Водитель сегодня находится буквально под перекрестным огнем информации.
Распространено мнение, что обзорность автомобиля тем лучше, чем больший сектор может быть охвачен глазами водителя. На заре автомобилизма водитель имел неограниченный обзор. А затем, хотя, казалось бы, значение обзора должно было возрастать с увеличением скорости, сектор обзора начали понемногу ограничивать: появились угловые стойки кузова, рама ветрового окна, впереди возникли и все увеличивались в объеме капот и крылья, расчалки тента, фонари, фигурки на пробке радиатора. Меры по улучшению обзора – стеклоочистители, электрические фары – удивительным образом уживались с конструктивными деталями автомобиля, выполненными в ущерб видимости дороги, – низкими сиденьями, сокращенной высотой окон, длинным капотом, широкими штампованными оконными стойками…
После второй мировой войны конструкторы опомнились и, как это иногда бывает, впали в другую крайность – обеспечивали максимальный сектор обзора в ущерб другим качествам автомобиля. Наиболее наглядный пример – панорамные ветровые окна заокеанского образца. Заходящее на боковины окно, само по себе заслуживающее положительной оценки, усложняло и ослабляло конструкцию корпуса кузова, ограничивало дверной проем.