Архитектура автомобиля, согласно концепциям разработчиков, всегда определялась как расположение основных компонентов, таких как двигатель, коробка передач, трансмиссия, оси и т. д. Что же касается расположения, для первых автомобилей обычным делом являлась недостача места под размещение компонентов, а создаваемая компоновка предлагала жертвовать объёмом пассажирского купе. Таким образом, если рассматривать только основные черты и пренебрегать для простоты формой кузова, архитектуру автомобиля легко определить исходя из факторов:
- количества колёс;
- положения ведущего моста;
- положения двигателя;
- типа механической связи между двигателем и колёсами;
- положения пассажиров.
Помимо двухколёсных конструкций, большинство наземных пассажирских транспортных средств были и остаются четырёхколёсными, организованными в две оси, за исключением некоторых самых ранних машин. Таковые, как показывает история, базировались на трёхколёсной архитектуре.
Автомобильная архитектура трёхколёсного велосипеда
Первый автомобиль «Benz Patentwagen» (продукт, изготовленный для продажи, не для научных экспериментов) фактически был трёхколёсным велосипедом. Вариант с трёхколёсным велосипедом внёс некоторое упрощение в рулевой механизм, учитывая размещение одного колеса на передней оси («Benz Motorwagen» 1886 года). Таким образом, движение руля было правильным по определению, а связанное с рулём управление было простым.
Если же одно колесо размещать в качестве заднего ведущего моста, трансмиссию можно было упростить, избегая дифференциала, как в случае с конструкцией «Bernardi» 1894 года. Кроме того, трёхколёсный велосипед представлял собой статически определённую систему в плане интерфейса с землёй:
Силы, действующие между колёсами и землёй, однозначно определяются положением центра масс. Эти силы в определённых пределах не зависят от земли, по факту не плоской или горизонтальной. Недостатком здесь является действие центробежной силы на повороте или при боковом уклоне, когда ухудшается устойчивость автомобиля на опрокидывание. В основном, именно по этой причине предпочтительными считались и считаются четырёхколёсные автомобили, несмотря на увеличивающуюся сложность конструкции.
Применение четырёх колёс сделало транспортное средство статически неопределимым. То есть силы на грунт невозможно было рассчитать без учёта местных деформаций. Кроме того, жесткая связь между колёсами и транспортным средством грозила привести к потере контакта между одним колесом и землей, если учитывать отсутствие идеально ровной земной поверхности.
Архитектура четырёхколёсного транспортного средства
Немецкие инженеры фирмы «Daimler» с помощью машины «Stahlradwagen» 1889 года (на стальных колёсах) попытались обойти отмеченные выше факторы. Установили переднюю ось на наклонную балку (типа балансира), способную компенсировать влияние неровностей грунта. Однако выяснилось, что боковая устойчивость стала эквивалентна трёхколёсному транспортному средству, имеющему переднее одинарное колесо в положении шарнира такого балансира.
По этой причине были введены эластичные подвески не только для удобства, но и для обеспечения контакта с земной поверхностью для всех колёс. Ограничивая двухосные автомобили одной ведущей осью, можно выделить следующие автомобильные архитектуры, которые перечислены примерно в хронологическом порядке:
- Переднеприводные автомобили с передним расположением двигателя.
- Заднеприводные автомобили с задним расположением двигателя.
- Заднеприводные автомобили с передним расположением двигателя.
Как известно, лошадей запрягали впереди повозки. Поэтому многие изобретатели автомобили видели логичным моментом установку двигателя в передней части машины. Первый автомобиль, Фардье Кюньо выпуска 1769 года имел переднее ведущее колесо, паровую машину и котёл, жёстко закреплённый в области переднего рулевого колеса.
Позже были разработаны моторно-осевые узлы под замену непосредственно передней оси транспорта. Часть такого рода моторно-осевых узлов (с электрическими, паровыми и двигателями внутреннего сгорания) оставались в эксплуатации и в конце девятнадцатого века.
Размещение тяжёлой массы (электродвигатель и блок питания) без какой-либо подвески сопровождалось проблемами дискомфорта и серьёзными ограничениями максимально достижимой скорости. При установке двигателя на подвесном кузове и с учётом проблем, связанных с передачей крутящего момента на ведущие колёса, целесообразнее было сделать задний неуправляемый мост ведущим.
Разработка механических трансмиссионных устройств
Появилась необходимость разработать какое-либо механическое трансмиссионное устройство, позволяющее соединить два элемента (двигатель и ось) с возможностью двигаться относительно друг друга. Проще оказалось размещать двигатель сзади. И не только по той причине, что мотор располагался ближе к ведущему мосту, но и по причине создания лучшего обзора для водителя.
Если мотор располагался сзади, сиденья устанавливались встречно. Средняя позиция мотора требовала расположения сидений «спина к спине». Архитектура первого типа отметилась в конструкции «Benz Victoria» выпуска 1890 года. Здесь двигатель установлен позади, передаёт движение вспомогательному валу в центре через пару кожаных ремней.
Ремни действовали как двухступенчатая коробка передач и как сцепление. Вспомогательный вал содержал дифференциальный механизм привода задних колёс. Передача между вспомогательным валом и колёсами производилась двумя цепями. Длина цепи оставалась неизменной, центр вспомогательного вала совпадал с центром вращения листовой рессоры. Подобные схемы применялись до начала двадцатого века.
Благодаря разработкам инженеров «Panhard & Levassor» (1894 год) нашлось более рациональное решение. Здесь расположенный спереди двигатель, через сцепление и коробку передач приводил в действие вспомогательный вал с дифференциалом. За дифференциалом следовала цепная передача на задние колёса. Дальнейшее усовершенствование этой архитектуры показали специалисты фирмы «Renault» (1899 год) конструкцией «Модель А». Цепные передачи заменили одновальными с двумя карданными шарнирами, а дифференциал установили непосредственно на оси.
Такой тип трансмиссии оказался менее уязвимым и легче смазывался. Однако скопировать это улучшенное решение конкурентам не удалось, так как французы защитили патентом оригинальное изобретение. Одна из этих архитектур присутствует в конструкциях некоторых современных автомобилей. Оба подхода позволяли разместить два или три ряда кресел пассажиров, направленных лицом вперёд.
Архитектура удобного расположения пассажиров
Трансмиссионный вал всегда выступал препятствием для получения удобного расположения пассажиров, особенно в конструкциях небольших автомобилей. Исправлением этой ситуации стало сосредоточение трансмиссии на ведущей оси без трансмиссионного вала. Первым вариантом была разработка автомобиля с задним расположением двигателя и задним приводом.
Малые автомобили с такой архитектурой помогли восстановить европейскую экономику после Второй мировой войны. Хорошо известным примером является машина «Fiat 600» выпуска 1953 года. Длина кузова 3,2 метра позволяла размещать четырёх пассажиров в салоне, а также багаж. Эта архитектура существовала 40 лет (1940 – 1980). Однако сегодня это уже исключение из правил.
Решение более целесообразное с точки зрения внутреннего пространства заключалось в переднем приводе с передним расположением двигателя. Эта архитектура была безуспешно опробована несколько раз. Экономическая целесообразность построения появилась только когда были разработаны некоторые конкретные компоненты:
- шаровые опоры постоянной скорости (Ford 1936 год);
- передние подвески (Ford 1948 год);
- силовой агрегат (Autobianchi 1964 год).
В эксплуатации появился большой пассажирский салон с достаточным пространством для багажа, не слишком высоко поднятый от земли. По этой архитектурной схеме построено большинство современных автомобилей.
