Автомобиль с открытыми колёсами

Автомобиль с открытыми колёсами (монопост, одноместный болид, формульный болид) — тип гоночного автомобиля, представляющий собой одноместный [1] автомобиль с колёсами, вынесенными из кузова. Этот тип, появившийся в начале XX века — ныне один из самых распространённых типов гоночных автомобилей.

Содержание

Названия

Этот тип имеет два названия, указывающие на его конструктивные особенности — в Америке укоренилось название «open wheel car» — автомобиль с открытыми колёсами, тогда как в Европе указывают на его одноместную конструкцию — монопост (англ. single seater, нем., итал., чешск. — monopost). В Америке же технические требования к таким автомобилям начали сводить в специальные документы, получившие название «формул». Постепенно слово «формула» стало фигурировать в названии большинства чемпионатов и серий монопостов, начиная с Формул-1, −2, и −3, что дало повод называть такие гонки «гонками формульного типа». В России слово «формула» все чаще стало применяться и к самим машинам, участвующим в таких гонках. Также и в Западной Европе все шире распространяется термин «formula car».

История

Первые автомобили данного типа появились в США в начале ХХ века, и поначалу были вовсе не одноместными, вместе с водителем в гонке участвовал механик, так как дистанции были большими, а надежность машин невысока. Постепенно гонки переместились на закрытые трассы относительно небольшой длины, а надежность машин выросла, после чего механик переместился на обочину, а позже в специальную зону технического обслуживания. Результаты гонок на «больших автомобилях» начали идти в специальный зачет, ведшийся Американской автомобильной ассоциацией. Так родился первый чемпионат. Технические требования стали сводиться в специальные документы, получившие название «формул».

В Европе гонки на автомобилях с открытыми колёсами стали проводиться в 20-х гг. Новые машины получили название монопостов и они начали участвовать в престижных гонках Гран-При. С 1930 г. результаты некоторых Гран-При стали заноситься AIACR в отдельный зачет, создав личный чемпионат Европы, а в 1946 г. была создана FIA, которая определила основные классы монопостов — Формула-1, −2 и −3. В 1950 г. был организован чемпионат мира, проводимый на машинах Ф1.

Устройство

Подвеска

Согласно названию, колёса автомобилей должны находиться вне корпуса. Впрочем, бывали и исключения — в 1954 г. команда Ф1 Мерседес, воспользовавшись лазейками в регламенте, выставляла на некоторые гонки, преимущественно скоростные, машины с колёсами, закрытыми лёгким кузовом. В дальнейшем регламент Ф1 был пересмотрен с целью исключения подобных случаев.

Также вне корпуса находится и подвеска. Сейчас это двойной поперечный рычаг с толкаемой либо тянущей штангой (push-rod и pull-rod, соответственно).

Число колёс, как правило, не превышает 4, хотя были случаи и 6-колёсных автомобилей — впервые такой автомобиль появился в 1948 г. в Национальном Чемпионате ААА, в 1976 г. команда Ф1 Тирелл также представила автомобиль с 6 колёсами, однако попытка команды Ф1 Уильямс выставить в 1982 г. шестиколёсный автомобиль натолкнулась на запрет, с тех пор все автомобили с открытыми колёсами имеют их не больше 4.

Двигатель

Двигатель долгое время находился впереди гонщика, приводя в движение заднюю ось посредством карданного вала, так или иначе проходившего через кабину. Впервые иное расположение двигателя — позади кабины — было предложено немецким инженером Фердинандом Порше в 1920-х гг., но реализовано в металле было лишь в 1934 г. в гоночных автомобилях Ауто Унион, построенных под руководством того же Порше. Впоследствии эта схема получила развитие на автомобилях Ауто Унион, но Вторая мировая война положила конец их эволюции, а после войны уже не использовалась. Вновь эта схема была применена уже в 1950-х гг. Эшли Купером. В 1961 г. автомобили заднемоторной схемы дебютировали в США, в 1965 г. выиграли гонку Инди-500, и с тех пор заднемоторная схема стала стандартом для автомобилей с открытыми колёсами, за исключением спринт-каров, используемых для гонок по грунтовым овалам.

Сами двигатели — почти исключительно четырёхтактные поршневые, работающие по циклу Отто, атмосферные или с турбокомпрессорами. В американском чемпионате проводили опыты с дизельными двигателями, также были попытки применения газовых турбин, в Америке и в Европе.

Аэродинамика

В начале XX столетия вопросы аэродинамики не сильно волновали конструкторов автомобилей, которые еще не развивали высоких скоростей. Первая Мировая война дала толчок исследованиям в области аэродинамики и с возобновлением в 20-х гг. гонок Гран-При некоторые инженеры (как, например, Фердинанд Порше) решили применить каплевидные обтекаемые кузова.

С 1960-х гг. требования аэродинамики все больше учитываются при создании гоночных автомобилей, конструкторы стараются добиваться не только уменьшения лобового сопротивления как раньше, но и увеличения прижимной силы — лёгкие машины не могли реализовать всю мощь своих моторов из-за пробуксовки в поворотах. Монопосты начинают обрастать теми или иными аэродинамическими приспособлениями.

Наиболее часто встречаются переднее и заднее антикрылья, прижимающие к дороге соответственно переднюю и заднюю часть автомобиля. Впрочем, в начале 80-х автомобили Ф1 обходились без передних крыльев — основную прижимную силу создавали сами корпуса машин, которые вкупе с заградительными эластичными юбками создавали под днищем машины разрежение, прижимающее их к трассе (граунд-эффект). Сейчас граунд-эффект практически везде запрещён, а прижимную силу создаёт диффузор — расположенная в задней части днища открытая сужающаяся П-образная полутруба, ускоряющая протекающий под машиной воздух (принцип трубки Вентури).

Открытые колёса являются важным аэродинамическим элементом — они имеют большую ширину, а их верхний край движется навстречу набегающему потоку. В итоге они производят серьёзные воздушные завихрения, сильно ухудшающие аэродинамическую эффективность автомобиля (коэффициент лобового сопротивления достигает 1,0-1,2) и, таким образом, не может сравниться со спортпрототипами, у которых колёса закрыты (коэффициент лобового сопротивления 0,3-0,4). Предпринимавшиеся различные попытки закрыть колёса от набегающего потока пресекаются контролирующими органами.

Маломощные монопосты, а также спринт-кары (используемые для гонок на грунтовых овалах) могут вообще не иметь аэродинамических элементов — развиваемые ими скорости не столь велики.

Корпус

Корпус монопоста имеет минимальное поперечное сечение, с тем чтобы только закрывать пилота. С 1962 года команда Ф1 Лотус применяет новую конструкцию корпуса с использованием монококов — жёстких пространственных конструкций, более устойчивых к кручению и ударам. Тогда же гонщик изменил свою позицию в кокпите — он больше не сидел более-менее прямо, а занял практически полулежачую позицию. Это не только уменьшило лобовое сопротивление, но и улучшило переносимость перегрузок. В первой половине 80-х в Формуле-1 появились углепластиковые монококи, которые затем широко распространились на все остальные серии. В монококе располагается кокпит — открытая кабина пилота (хотя и предпринимались различные попытки закрыть пилота). Сразу за кабиной располагается дуга безопасности, призванная принимать удары при переворотах машины. Спереди к монококу крепится передняя подвеска и передние аэродинамические элементы, сзади — двигатель, к которому крепится коробка передач, а к той — задняя подвеска и задние аэродинамические элементы. С 1970 г. команда Ф1 Лотус располагает радиаторы в боковых понтонах, что позволило придать носу машины максимально эффективную с точки зрения аэродинамики форму.

Трансмиссия

Привод, независимо от расположения двигателя, чаще всего делался задний, хотя в серии Индикар были попытки использования переднеприводных автомобилей, а полный привод использовался и в Индикаре, и в Формуле 1. Переключение передач всегда ручное, хотя в последнее время повсеместное распространение получили разработанные ещё для Формулы 1 секвентальные полуавтоматические коробки с переключением подрулевыми переключателями.

Пилотирование

Автомобили с открытыми колёсами обычно имеют наименьшую массу среди всех гоночных машин своего класса мощности и наибольшую концентрацию мощности среди автомобилей своего веса. Массы монопостов находятся в пределах 455—700 килограмм, а мощности могут достигать и превосходить 1 000 лошадиных сил. Это, а также высокая аэродинамическая оснащенность, определяет их наибольшие возможности по ускорению в поворотах и делает их наиболее быстрыми среди всех гоночных автомобилей.

Прототипы в принципе отличаются лишь закрытыми колесами, а потому теоретически тоже могут достигать таких динамических показателей, но на данный момент такие машины используются лишь в гонках на выносливость, а потому не могут сравниться с монопостами в скорости. В то же время возможна постройка прототипа из монопоста путем установки на него легкого кузова, закрывающего колёса — именно так были построены прототипы Can-Am второй половины 70-х.

Высокие динамические характеристики монопостов накладывают повышенные требования к физической подготовке пилотов. Также автомобиль с открытыми колёсами даёт небольшое преимущество, так как пилоту проще строить траекторию движения из-за того, что он видит колеса авто. Кроме того, пилотирование требует большей аккуратности, монопосты практически не способны переносить без повреждений контакты, а контакт колесо-на-колесо очень опасен ввиду того, что один из автомобилей может взлететь и перевернуться.

Производители машин с открытыми колёсами

Участники гонок на машинах с открытыми колёсами могут строить их сами (так в Чемпионате Мира Формулы-1), а могут закупать у стороннего производителя (в большинстве остальных случаев). Современные производители монопостов:

Международные чемпионаты на автомобилях с открытыми колёсами

Автомобили с открытыми колесами участвуют практически исключительно в кольцевых гонках на трассах с твердым покрытием — стационарных, временных или трассах овального типа. Спринт-кары и миджеты используются в гонках по коротким гаревым трекам. Также списанные из других серий монопосты могут использоваться в соревнованиях по подъёму на холм.

Из чего состоит автомобиль?

Автомобиль является технически сложным устройством, состоящим из большого количества деталей, узлов и механизмов. Разбираться в них обязан каждый уважающий себя автовладелец, даже не для того, чтобы уметь самостоятельно устранить любую неисправность, которая может возникнуть в дороге, а просто для понимания принципа работы своей машины, и умения на понятном специалисту языке объяснить суть возникших проблем. Для этого необходимо знать хотя бы азы, из каких основных частей состоит авто, и как называются правильно каждая деталь.

Кузов авто

Основой любой машины является её кузов, представляющий собой корпус автомобиля, в котором размещаются водитель, пассажиры и грузы. Именно в кузове располагаются и все остальные элементы авто. Одно из главных его назначений – это защита находящихся в нём людей и грузов от воздействия внешней среды.

Обычно кузов крепится на раме, но встречаются авто и с безрамной конструкцией, и тогда кузов одновременно выполняет функции рамы. Конструкция кузова автомобиля бывает:

• однообъёмная, когда в одном объёме располагаются моторный, пассажирский и грузовой отсек (примером могут служить минивэны или фургоны);
• двухобъёмная, в котором предусмотрен моторный отсек, а места для пассажиров и груза объединены в одном объёме (универсалы, хэтчбеки, кроссоверы и внедорожники);
• трёхобъёмная, где предусмотрены отдельные отсеки для каждой части кузова автомобиля – грузовой, пассажирской и моторной (пикапы, седаны и купе).

В зависимости от характера нагрузки кузов может иметь три типа:

Кстати, хотим напомнить, что для автомобилей и не только вы можете недорого покупать интересные вещи на Алиэкспресс.

Большинство современных легковых автомобилей имеет несущую конструкцию, которая воспринимает все действующие на машину нагрузки. Общее устройство кузова легкового автомобиля предусматривает наличие следующих основных элементов:

• лонжеронов, представляющих собой несущие балки в форме прямоугольной профильной трубы, они бывают передние, задние и лонжероны крыши;

Кузовная несущая система. Данная система позволяет понизить массу автомобиля, снизить центр тяжести, а значит, повысить устойчивость при движении

• стоек – элементов конструкции, поддерживающих крышу (передние, задние и средние);
• балок и поперечин, которые бывают у крыши, лонжеронов, под опорами двигателя, и каждым рядом сидений, имеется также передняя поперечина и поперечина радиатора;
• порогов и пола;
• надколёсных ниш.

Автомобильный двигатель, его виды

Сердцем авто, его главным узлом является двигатель. Именно эта часть автомобиля создаёт крутящий момент, который передаётся на колёса, заставляя машину перемещаться в пространстве. Сегодня существуют следующие основные виды автодвигателей:

• ДВС или двигатель внутреннего сгорания, который для получения механической энергии использует энергию сжигаемого в его цилиндрах топлива;
• электродвигатель, работающий от электрической энергии аккумуляторных батарей или водородных элементов (автомобили на водородных элементах сегодня уже имеются у большинства ведущих автостроительных компаний как опытные образцы и даже имеются в мелкосерийном производстве);
• гибридные двигатели, соединяющие в одном агрегате электродвигатель и ДВС, соединительным звеном между которыми выступает генератор.

Он являет собой комплекс механизмов, которые преобразуют тепловую энергию сгорающего в его цилиндрах топлива в механическую

По типу сжигаемого топлива все ДВС делятся на следующие разновидности:

• бензиновые;
• дизельные;
• газовые;
• водородные, в которых топливом выступает жидкий водород (устанавливаются лишь на опытных моделях).

По конструкции ДВС бывают:

Трансмиссия

Главное назначение трансмиссии состоит передаче крутящего момент от коленчатого вала двигателя на колёса. Элементы, из которых она состоит, носят такие названия:

• Сцепление, представляющее собой два фрикционных диска, прижатых друг к другу, которые соединяют коленвал двигателя с валом редуктора. Это соединение валов двух механизмов выполнено разъёмным, чтобы, отжимая диски, можно было разорвать связь двигателя и редуктора, для переключения передачи и изменения скорости вращения колёс.

Это силовая передача, осуществляющая взаимосвязь двигателя с ведущими колесами автомобиля

• Коробка передач (или редуктор). Этот узел служит для изменения скорости и направления движения авто.
• Карданная передача, представляющая собой вал с шарнирными соединениями на концах, служащий для передачи крутящего момента задним приводным колёсам. Она используется только в заднеприводных и полноприводных машинах.
• Главная передача, расположенная на приводном мосту автомобиля. Она передаёт крутящий момент от карданного вала полуосям, изменяя направление вращения на 90о.
• Дифференциал – это механизм, служащий для обеспечения разных скоростей вращения правого и левого приводных колёс при поворотах автомобиля.
• Приводные валы или полуоси – элементы, передающие вращение колесам.

В полноприводных машинах имеется раздаточная коробка, распределяющая вращение на обе оси.

Ходовая часть

Комплекс механизмов и деталей, служащих для перемещения автомобиля и погашения, возникающих при этом вибраций и колебаний, называется ходовой частью. К ходовой части относятся:

• рама, к которой крепятся все остальные элементы ходовой части (в безрамных машинах для их крепления используются элементы кузова автомобиля);

Ходовая часть – это комплекс устройств, при взаимодействии которых осуществляется перемещение автомобиля по дороге

• колёса, состоящие из дисков и шин;
• передняя и задняя подвеска, которая служит для гашения колебаний, возникающих во время движения, и бывает рессорная, пневматическая, пружинная или торсионная, в зависимости от применяемых демпфирующих элементов;
• балок мостов, служащих для установки полуосей и дифференциалов, они имеются только в авто с зависимой подвеской.

Большинство современных легковых автомашин имеют независимую подвеску, и балки мостов у них отсутствуют.

Рулевое управление

Для нормального перемещения на автомобиле водителю необходимо совершать повороты, развороты или объезды, то есть отклоняться от прямолинейного движения, или просто контролировать свою машину, чтобы её не увело в сторону. Для этого в её конструкции предусмотрено рулевое управление. Это один из самых простых механизмов в автомобиле. Как называется часть элементов, рассмотрим ниже. Рулевое управление состоит из:

• руля с рулевой колонкой, так называется обычный вал, на котором жёстко насажено рулевое колесо;

Эти устройства состоят из рулевого управления, которое связано с передними колесами рулевым приводом и тормозами

• рулевого механизма, состоящего из зубчатой рейки и шестерни, насаженной на вал рулевой колонки, он преобразовывает вращательное движение рулевого колеса в поступательное перемещение рейки в горизонтальной плоскости;
• рулевого привода, передающего воздействие от рейки рулевого механизма колёсам, для их поворота, и включающего в себя боковые тяги, маятниковый рычаг и поворотные рычаги колёс.

В современных авто используется дополнительный элемент – усилитель руля, позволяющий водителю прилагать меньшее усилие для обеспечения поворота рулевого колеса. Он бывает следующих видов:

• механический;
• пневмоусилитель;
• гидравлический;
• электрический;
• комбинированный электрогидроусилитель.

Тормозная система

Важной частью машины, обеспечивающей безопасность управления, является тормозная система. Главное её назначение состоит в том, чтобы принудительно остановить движущееся транспортное средство. Она также используется, когда необходимо резко сбросить скорость движения авто.

Тормозная система бывает следующих видов по типу привода:

• механическая;
• гидравлическая;
• пневматическая;
• комбинированная.

На современных легковых авто устанавливается тормозная система с гидроприводом, которая состоит из следующих элементов:

• педали тормоза;
• главного гидроцилиндра тормозной системы;
• заправочного бачка главного цилиндра, для заправки тормозной жидкости;
• вакуумного усилителя, имеющегося не во всех моделях;
• системы трубопроводов для переднего и заднего тормоза;
• тормозных цилиндров колёс;
• тормозных колодок, прижимаемых колесными цилиндрами к ободу колеса при торможении транспортного средства.

Тормозные колодки бывают дисковые или барабанные и имеют возвратную пружину, которая отжимает их от обода колёс при завершении процесса торможения.

Электрооборудование

Одна из наиболее сложных систем легковых авто с множеством самых разных элементов и соединяющих их проводов, опутывающих весь корпус автомобиля, – это электрооборудование, которое служит для обеспечения электроэнергией всех электротехнических устройств и электронной системы. Электрооборудование включает в себя следующие устройства и системы:

• аккумуляторную батарею;
• генератор;
• систему зажигания;
• световую оптику и систему освещения салона;
• приводы электродвигателей вентиляторов, стеклоочистителей, стеклоподъёмников и других устройств;
• обогрев стёкол и салона;
• всю электронику автоматической коробки передач, бортового компьютера и защитных систем (ABS, SRS), управления двигателем и других;
• гидроусилитель руля;
• противоугонную сигнализацию;
• звуковой сигнал.

Это неполный перечень устройств, входящих в электрооборудование авто и потребляющих электроэнергию.

Устройство кузова автомобиля и всех его составных частей необходимо знать каждому водителю, чтобы поддерживать машину всегда в исправном состоянии.