Мобільний додаток
Ще більше зручності! Миттєві сповіщення про всі актуальні події вашого профілю!
Перевод статьи об экспериментальной модели Vesta 2 от Renault от португальского автомобильного журнального издания Turbo, № 71, Август, 1987.
VESTA 2
Завтрашний день... сегодня.
Пресса практически проигнорировала техническое событие, которое для нас приобретает особую важность. На обычном автомагистральном маршруте между Бордо и Парижем, на дистанции 501,4 километра, маленький городской автомобиль израсходовал в общей сложности всего 9,747 литра бензина, что соответствует среднему расходу 1,94 л/100 км.
Вот оно, событие.
Если вдаваться в подробности, мы узнали, что поездка проходила по загородной трассе в условиях обычного дорожного движения, при легком встречном ветре и переменном тумане. На борту находились два человека: журналист, который управлял машиной, и сотрудница Министерства юстиции Франции, отвечавшая за подтверждение подлинности эксперимента. Поездка началась в 6:15, а прибытие в Париж было зафиксировано в 11:13, что означает среднюю скорость 100,9 км/ч.
Показатель, очевидно, исключительный. Но ради точности репортажа необходимо добавить, что этот результат был достигнут не на массовой малолитражке, а на экспериментальном автомобиле: Vesta 2 от Renault. Вот только эта экспериментальная машина находится очень близко к серийному производству. По правде говоря, она предвосхищает R5, например, с точки зрения внутреннего пространства, комфорта, динамики и безопасности. Главными областями, в которых французские специалисты применили глубокие инновации, стали аэродинамика, силовой агрегат, трансмиссия, использованные материалы и вытекающее из этого снижение веса, фундаментально важное в борьбе за экономичность, а также общая компоновка автомобиля.
Но как родился этот проект?
Вслед за двумя энергетическими кризисами 1973 и 1979 годов Французское агентство по экономии энергии, которое уже стояло за созданием двух экспериментальных машин — Vera от Peugeot и Eve от Renault —, в 1980 году через Министерство промышленности выдвинуло гораздо более амбициозное предложение французским производителям, обязавшись покрыть 50% расходов на проекты, которые будут одобрены. Приоритетная цель заключалась в создании прототипов автомобилей, чей расход топлива был бы меньше или равен 3 литрам на 100 км, причем эта величина являлась средним значением условного расхода при установившихся скоростях 90 и 120 км/ч, а также в городском цикле. Чтобы получить представление о том, насколько амбициозным был этот проект, достаточно вспомнить, что расход R5 TL того времени составлял 6 литров на 100 км в тех же условиях, а R5 считался самой экономичной малолитражкой эпохи. Предложение Министерства промышленности также оговаривало, среди прочего, что прототипы ни в коем случае не должны жертвовать стандартами, обычно требуемыми покупателями машин такого типа, в частности, в плане комфорта, вместимости салона, удовольствия от вождения и динамических качеств, а также не должны идти вразрез с действующим законодательством, главным образом в области безопасности. С самого начала два ведущих французских автомобильных концерна присоединились к проекту, и так появились Eco 2000 группы PSA, координируемый маркой Citroen, и Vesta от Renault. Три другие компании приняли участие в первом этапе исследования: Aerospatiale, Bertin и Matra.
Три фазы развития Vesta
Первый прототип Vesta был представлен в октябре 1983 года и закономерно получил обозначение Vesta 1. Было построено три экземпляра машины, не считая самого первого силового каркаса кузова. Вторая фаза привела к созданию Vesta +, отличавшейся от первой модели в нескольких аспектах, но главным образом в том, что касалось передней структуры кузова, где была применена архитектура типа подрамника взамен несущей чашеобразной структуры Vesta 1. Элементов этого второго прототипа было построено три штуки, и столько же кузовных каркасов. В июле 1985 года, уже обладая множеством фундаментальных данных, специалисты Renault имели очень четкое видение финального прототипа, который позволил бы им достичь и даже превзойти первоначальные цели. Так родилась нынешняя Vesta 2, от которой был построен всего один прототип — PV 9 —, к техническим деталям которого мы перейдем далее.
Основы проекта
Топливо, расходуемое двигателем, идет, с одной стороны, на преодоление аэродинамического сопротивления, которое, как известно, стремительно растет пропорционально квадрату скорости, а с другой — на преодоление сопротивления качению шин и сил инерции. Однако большая часть энергии, заключенной в топливе, точно так же рассеивается в виде внутренних потерь автомобиля: механического трения, потерь при преобразовании химической энергии в механическую и затрат на работу вспомогательного оборудования, такого как, например, электровентилятор, стартер, фары и т.д.
Разумеется, эти потери довольно трудно обобщить, поскольку они сильно варьируются от машины к машине и зависят от манеры езды. Тем не менее в Renault, взяв за основу R9 GTL 1982 года с 5-ступенчатой коробкой передач, установили, что при расходе 5,4 литра/100 км на скорости 90 км/ч 0,99 литра уходило на преодоление сопротивления качению, 2,1 литра — на преодоление аэродинамического сопротивления и 2,31 литра рассеивалось в виде внутренних потерь. На скорости 120 км/ч при общем расходе 7,3 литра/100 км эти показатели возросли, соответственно, до 1,15, 3,75 и 2,4 литра, при этом отмечался быстрый рост аэродинамической составляющей, как и следовало ожидать. Но при замере, сделанном в городском цикле, то есть при имитации на испытательном стенде городской поездки по стандартам ЕЭС, эти значения радикально изменились. Общий расход составил 7,4 литра/100 км, распределившись следующим образом: 0,99 на сопротивление качению, 0,37 на аэродинамическое сопротивление, 0,85 на торможение и 5,19 на внутренние потери. Последний показатель, уже весьма значительный при 90 и 120 км/ч, приобретает здесь фундаментальное значение, которое возрастает, если учесть, что, поскольку Vesta является предвосхищением городского автомобиля завтрашнего дня, городская составляющая имеет еще больший вес.
Опираясь на эти и другие предпосылки, руководители проекта Vesta определили общие ориентиры. Снаряженная масса 520 кг и аэродинамический фактор S.Cx, равный 0,42. На основе этих данных удалось определить, что максимальная устанавливаемая мощность должна составить 27 л.с., если планировалось сохранить динамические характеристики R5 TL той эпохи. Для этого изначально задумывался 3-цилиндровый 4-тактный бензиновый мотор рабочим объемом 716 куб. см, но параллельно было решено изучить также 2-цилиндровый двухтактный дизель с непосредственным впрыском топлива. Однако стоимость и время, необходимые для проектирования и постройки этого двигателя, были столь велики, что от исследования оперативно отказались. В качестве альтернативных вариантов было решено изучить трансмиссию с механической 5-ступенчатой коробкой передач, а также сухой вариатор с широким диапазоном и механическим регулированием. В отношении сопротивления качению также имелись большие надежды на его снижение. В 1980 году сопротивление качению шин легкового автомобиля колебалось между 13 и 16 кг/тонну (даН), меняясь, естественно, в зависимости от типа покрытия, структуры шины, ее формы и размеров, а также самого давления воздуха. Поэтому специалисты надеялись снизить этот показатель до 9–10 кг/тонну.
Силовой агрегат и трансмиссия
Таким образом, мы переходим к техническому описанию финального прототипа Vesta 2, который только что установил мировой рекорд расхода топлива. Двигатель представляет собой, как мы уже говорили, 3-цилиндровый бензиновый агрегат, расположенный поперечно и слегка наклоненный назад (на 15 градусов). При рабочем объеме 716 куб. см он развивает 27 л.с. при 4250 об/мин с максимальным крутящим моментом 56 Нм при 2250 об/мин. Головка блока цилиндров — с поперечным потоком газов, где впуск ориентирован назад, а выпуск — вперед, чтобы обеспечить возможность применения сильно скошенного капота. Маховик двигателя имеет уменьшенный диаметр для сокращения межцентрового расстояния валов коробки передач.
Для повышения эффективности была принята высокая степень сжатия (10,5:1), а в части наполнения цилиндров спроектирована достаточно плоская головка блока с развернутыми впускными коллекторами, оптимизирована акустика впуска и выпуска, и установлен верхний распределительный вал с очень жестким профилем кулачков. Для снижения трения, помимо того, что число цилиндров составляет всего три, коленчатый вал опирается на два роликовых подшипника, шатуны выполнены из алюминия и работают на игольчатых подшипниках, а соотношение длины шатуна к радиусу кривошипа составляет 3,84.
Зажигание — двухсвечное, с двумя свечами на цилиндр, а для облегчения всего узла везде, где возможно, использовались легкие сплавы, как в случае с картером.
На протяжении программы Vesta 2 вносились многочисленные изменения. Составной коленчатый вал был заменен цельным с модификацией шатунов, улучшен контур охлаждения головки блока, равно как масляный насос и привод газораспределительного механизма, а механическая водяная помпа уступила место электрической. Уже на финальной стадии программы специалисты Renault решили сделать два крупных изменения в камере сгорания и системе питания. Камера сгорания типа Heron уступила место камере корытообразной формы для улучшения экономичности в городском цикле.
В части системы питания были получены отличные результаты по расходу при полной нагрузке и на высоких режимах с многоточечным впрыском с электронным последовательным распределенным впрыском. Тем не менее расход в городском цикле оказался хуже, чем с карбюраторной системой. Хотя инженеры были убеждены, что при наличии времени система впрыска существенно улучшится, в итоге было принято решение в пользу карбюратора. С учетом оптимизации впускных коллекторов и явлений турбулентности было решено установить двойной коллектор диаметром 16 миллиметров в сочетании с двухкамерным карбюратором размером 24 х 28. Из двух изученных версий впускного коллектора выбор пал на вариант, оснащенный вспомогательным тангенциальным каналом у клапана, поскольку он обеспечивал наибольшее завихрение. Трансмиссия использует механическую 5-ступенчатую коробку передач, специально спроектированную для Vesta 2, с передачей мощности на передние колеса.
Пневматическая подвеска
Решение, принятое для передней оси — это схема с ложной стойкой McPherson с нижними рычагами в форме прямоугольного треугольника, изготовленными из штампованного стального листа, чья форма была определена на компьютере методом конечных элементов. Поворотный кулак выполнен из алюминия, частично интегрируя в себя неподвижную скобу дискового тормоза и удерживая амортизаторную стойку подвески, которая была облегчена. Упругий элемент состоит из телескопического гидравлического амортизатора и цилиндрических пружин. Дополняет систему стабилизатор поперечной устойчивости, направленный назад.
Рулевой механизм — типа шестерня-рейка, с алюминиевым корпусом, равно как и сама рулевая колонка вместе с двумя карданными шарнирами. Только верхняя часть колонки была сохранена из стали для обеспечения монтажа противоугонной системы блокировки руля.
Задняя подвеска гораздо более инновационна. Изначально она включает в себя схему с деформируемой балкой и четырьмя торсионами. Читатели, наиболее внимательные к этим механическим вопросам, сразу скажут, что сама по себе система не несет ничего нового. И они правы. В гамме Renault уже существует множество моделей с такой подвеской: R5 GT Turbo, R9 Turbo, R11 GTX, TXE и Turbo, Express и все семейство 21. Вот только все эти модели унаследовали данную подвеску именно от Vesta. Чтобы завершить объяснение, скажем, что амортизаторы расположены наклонно под полом, освобождая всю зону между колесами для увеличения пространства в задней части салона, а также емкости для багажа, оставляя место для установки бензобака и запасного колеса. Геометрия была проработана таким образом, что она обеспечивает переменную жесткость во избежание разницы в положении кузова, вызванной изменением подрессоренной массы в порожнем состоянии (167 кг) и при полной нагрузке (436 кг).
Размеры колес также стали объектом тщательного изучения. На рынке размеры колес маленького городского автомобиля составляют 10, 12 или 13 дюймов. Теоретически имело смысл выбрать наибольший диаметр и наименьшую ширину. Однако 12- или 13-дюймовые колеса оказывались избыточными для веса автомобиля, вынуждая чрезмерно уменьшать профиль шины, что было вредно с точки зрения коэффициента качения. С другой стороны, 10-дюймовое колесо создавало некоторые проблемы, в частности, касающиеся размеров и размещения дисковых тормозов, а также углов работы приводных валов. По этим причинам было решено изготовить 11-дюймовые колеса и попросить некоторых производителей шин выпустить специальные покрышки в этом размере и с низким коэффициентом качения. После многочисленных испытаний было решено остановиться на размере 125/80 R11.
На протяжении различных фаз проекта на некоторые прототипы устанавливались задние подвески пневматического типа, и Vesta 2 представляет как раз одну из таких подвесок. Объяснение ее использования простое. С точки зрения аэродинамики, меньший дорожный просвет автомобиля способствует меньшему сопротивлению продвижению, в то время как минимальный Cx достигается при легком наклоне кузова вперед. Это легко обеспечить в статическом положении автомобиля, но в обычных условиях движения простое изменение нагрузки влечет за собой модификацию положения кузова. По этой причине было решено установить интегральную пневматическую подвеску с электронным управлением. В этой подвеске используются пневмобаллоны, концентричные амортизаторам, с работой по замкнутому контуру между резервуаром высокого давления и резервуаром низкого давления, а также с логикой управления, обеспечивающей изменяемый дорожный просвет в зависимости от скорости. Если скорость остается постоянной, положение кузова Vesta 2 неизменно при любой нагрузке, поскольку регулирование происходит при постоянном объеме воздуха, что позволяет достичь почти полной стабильности характеристик в зависимости от нагрузки, в отличие от того, что происходит с подвесками гидропневматического типа. Это особенно интересно применительно к задней оси, чья подрессоренная нагрузка варьируется в пропорции от 1 до 2,6. С другой стороны, приседание автомобиля на более высоких скоростях улучшает его динамическое поведение благодаря понижению центра тяжести и увеличению жесткости подвески, связанному с уменьшением объема воздуха.
Завершим эту главу, сказав, что тормоза — дисковые на всех четырех колесах, с фиксированными скобами и двухпоршневыми суппортами спереди и плавающими скобами сзади.
Рекордная аэродинамика
В ходе реализации проекта было построено 15 макетов в масштабе 1/5, которые позволили изучить многочисленные критерии, такие как внутреннее пространство, передняя и задняя колеи, наклон лобового стекла, лобовая площадь, форма нижней части кузова и сам дизайн Vesta. При необходимости строились полноразмерные модели в масштабе 1/1 для испытаний в аэродинамической трубе (галерея S10 в Сен-Сире), оптимизации форм и т.д. В качестве курьеза можно сказать, что между первым макетом 1/1 модели Vesta 1 и финальным вариантом Vesta 2 коэффициент Cx снизился с 0,22 до 0,15, и это без учета контура охлаждения и с днищем автомобиля в макетном состоянии.
Было бы утомительно перечислять здесь все исследования, которые были проведены для достижения хорошего аэродинамического результата. Скажем лишь, что специалисты Renault двигались по двум взаимодополняющим направлениям: с одной стороны, оптимизация форм, примиряющая дизайн, вместимость, аэродинамический фактор S.Cx и общую функциональность автомобиля, а с другой — максимально возможное сглаживание воздушного потока вокруг кузова, под машиной и, прежде всего, через моторный отсек в попытке минимизировать сопротивление, вызываемое контуром охлаждения.
Интересно привести некоторые данные, позволяющие оценить эволюцию Vesta на протяжении проекта. Так, общая длина последовательно увеличивалась с 3,27 метра у Vesta 1 до 3,47 метра у Vesta + и вплоть до 3,54 м у Vesta 2. Лобовая площадь оставалась неизменной на уровне 1,622 квадратного метра у первых двух прототипов и увеличилась до 1,634 кв. м у Vesta 2, когда та находится в самом низком положении пневматической подвески. Аэродинамический фактор S.Cx последовательно снижался с 0,401 до 0,366 и 0,304, то же самое происходило и с Cx, который составлял 0,25 у Vesta 1, 0,225 у Vesta + и 0,186 у Vesta 2.
Когда первоначальные цели в области экономичности были достигнуты и даже превзойдены, проект Vesta (Veiculo Económico de Sistemas e Tecnologias Avançados / Экономичный Автомобиль Передовых Систем и Технологий) подошел к своему завершению. Это был не просто вызов для Renault. Это было гораздо больше. Настоящая исследовательская лаборатория для поиска новых технологий, некоторые из которых уже внедрены в серийные модели, а другие ждут своего часа для перехода в индустриальную фазу.
Общий объем инвестиций в этот проект составил 350 миллионов франков (около 12 миллионов конто), и в тот момент, когда мы обсуждали этот проект со специалистами Renault, у нас возник вопрос: если бы Vesta 2 выпускалась серийно, сколько бы она могла стоить? Руководитель Régie, возможно, не ожидал такого вопроса, но от ответа не уклонился: «Возможно, примерно на 15% больше, чем нынешний автомобиль той же категории».