Dlaczego Silnik Jest Z Przodu, Z Tyłu, a Może Znajdować Się na Środku? Ewolucja Architektur Umiejscowienia Silnika

Udostępnij tę stronę
Miejsce zamontowania silnika w pojeździe to w historii samochodu z silnikiem spalinowym decyzja inżynieryjna równie istotna jak liczba cylindrów i architektura silnika. Umieszczenie z przodu, z tyłu lub pośrodku oraz montaż wału korbowego równolegle do kierunku jazdy (wzdłużnie) lub prostopadle (poprzecznie); w sposób bezpośredni przekształca prowadzenie, rozkład masy, bezpieczeństwo, koszty produkcji i projektowanie nadwozia. Ta strona analizuje, przez pryzmat przełomowych modeli, linię sięgającą od układu Mercedesa z długą maską z przodu, przez silnikowo-tylne Beetle i Tatra, od rewolucji silnika centralnego aż po upowszechnienie się nowoczesnego układu poprzecznego.
Najważniejsze informacje
- DKW F1 z roku 1931 uważany jest za jedną z pierwszych udanych samochodów z poprzecznie umieszczonym silnikiem i prekursora nowoczesnego układu przednionapędowego
- W Mini z 1959 roku integracja skrzyni biegów ze skrzynią korbową silnika sprawiła, że układ napędowy zajmował jedynie 20% długości pojazdu
- 1964 Układ Giacosy w Autobianchi Primula do dziś pozostaje standardem poprzecznie umieszczonego napędu na przednie koła
- W silnikowo-tylnych modelach Tatra rozkład masy był skrajny, sięgając nawet 70/30 na korzyść tylnej osi
- Od 1998 roku Volvo stosowało poprzecznie montowane silniki we wszystkich swoich modelach, łącznie z V8
Dlaczego Architektura Umieszczenia Silnika to Decyzja Inżynieryjna?
Umieszczając silnik w pojeździe, odpowiada się na trzy podstawowe pytania: czy silnik ma znajdować się z przodu, pośrodku czy z tyłu, oraz czy wał korbowy ma być wyrównany wzdłuż długiej osi pojazdu, czy prostopadle do kierunku jazdy? Każdy zestaw odpowiedzi rodzi inny rezultat. Silnik z przodu jest praktyczny, a przewody chłodzenia i ogrzewania są krótkie; dlatego stał się najpowszechniejszym układem w historii. Silnik centralny, przybliżając masę do geometrycznego środka pojazdu, obniża moment bezwładności i poprawia prowadzenie. Silnik z tyłu nakłada natomiast ciężar na koła napędowe, zwiększając przyczepność; przy niskiej przyczepności jest to poważna zaleta.
W układzie poprzecznym wał korbowy jest ustawiony prostopadle do kierunku jazdy; w większości nowoczesnych pojazdów przednionapędowych stosuje się ten układ. W układzie wzdłużnym wał korbowy rozciąga się wzdłuż długiej osi pojazdu i jest preferowany w pojazdach z napędem tylnym. Wybór między nimi to w większości kwestia pakowania: objętość zajmowana przez układ napędowy bezpośrednio określa przestrzeń pozostałą na kabinę i bagażnik. Ten prosty geometryczny wybór był na tyle skuteczny, że przez cały dwudziesty wiek przekształcał klasy samochodów, formy nadwozi, a nawet projekty czołgów.
Narodziny układu poprzecznego: od 1899 roku do okresu powojennego
Idea poprzecznego silnika sięga pierwszych lat motoryzacji. W 1899 roku lekki samochód Critchley firmy Daimler Motor Company zapisał się w historii jako jeden z pierwszych przykładów napędu paskowego z silnikiem poprzecznym. Jednak pierwsza zrównoważona komercyjna przyszłość tego układu nadeszła w 1931 roku: dwucylindrowy DKW F1, dzięki układowi z poprzecznym silnikiem i napędem na przednie koła, uważany jest za pierwszy działający przykład architektury, którą dziś widzimy w nowoczesnych samochodach przednionapędowych.
W latach wojny układ ten udowodnił się w zastosowaniach wojskowych. W radzieckich czołgach T-44 i T-54/T-55 silnik umieszczono poprzecznie; celem było oszczędność przestrzeni wewnątrz kadłuba, a efekt był imponujący: dzięki układowi poprzecznemu kadłub się skrócił, a opancerzenie zostało zachowane, a T-54/55 stał się najliczniej produkowanym czołgiem w historii. Po stronie samochodów Saab 92 z 1947 roku był jednym z marek, które w pierwszym modelu umieściły silnik poprzecznie; marki Goliath i Hansa należące do Borgwarda również przyjęły to rozwiązanie. W 1957 roku wschodnioniemiecki Trabant wjechał na taśmę produkcyjną z poprzecznie zamontowanym dwusuwowym silnikiem i utrzymywał ten układ nieprzerwanie aż do 1991 roku.
Mini i Giacosa: Dwie szkoły architektury układu poprzecznego
Układ poprzeczny naprawdę doceniono w świecie motoryzacji w 1959 roku, wraz z modelem Mini BMC sygnowanym przez Aleca Issigonisa. Posunięcie Issigonisa było radykalnym rozwiązaniem pakowania: skrzynia biegów została zintegrowana ze skrzynią korbową silnika, czyli z miską olejową. W ten sposób czterocylindrowy, chłodzony cieczą silnik o pojemności 848 cm3 oraz układ napędowy utworzyły zwarty blok mieszczący się w nadwoziu o szerokości 1,2 metra; zespół napędowy zajmował łącznie jedynie 20% długości pojazdu. Dzięki temu układowi możliwa stała się koncepcja naprawdę kompaktowego, czteroosobowego samochodu, w którym pasażerowie siedzą bez rozsiadania się wokół silnika.
Rozwiązanie Mini z nie było jednak jego wadą trudność napraw. W 1964 roku Dante Giacosa zastosował opracowany dla Fiata układ w modelu Autobianchi Primula: silnik był połączony ze skrzynią biegów za pomocą wałka, a dyferencjał umieszczono asymetrycznie. Ten układ upowszechnił się później w modelu Fiat 128 i stał się podstawą schematu stosowanego do dziś. Układ Giacosy, który można lepiej dopracować niż rozwiązanie Mini, który łatwiej naprawić i który okazał się lepiej dostosowany do pięciobiegowej skrzyni, jest faktycznym standardem współczesnego samochodu przednionapędowego. Przekształcenie się poprzecznego przedniego napędu w dominujący układ na rynku było również szybkie; większość producentów przyjęła ten układ przez lata 80..
Tradycja silnika z tyłu: od Tatry do Garbusa

Silnik z tyłu był broniony według zupełnie innej logiki niż historia pakowania układu poprzecznego. Austriacki inżynier Hans Ledwinka, który w 1921 roku dołączył do Tatry jako dyrektor techniczny, specjalizował się w umieszczaniu silnika za tylną osią; taka pozycja zapewniała doskonałą przyczepność na kołach napędowych. Pierwszym chłodzonym powietrzem modelem marki był Tatra 11 z 1923 roku; Tatra, która w pierwszym okresie stosowała zarówno chłodzenie wodą, jak i powietrzem, z czasem ustandaryzowała chłodzenie powietrzem. Tatra 77 z 1934 roku oraz Tatra 97 produkowana w 1936 roku, jako czterodrzwiowe sedany z chłodzonym powietrzem silnikiem z tyłu i aerodynamicznym nadwoziem fastback, były niezwykłymi przykładami swoich czasów.
Tatra 97 już posiadała formułę z trzech elementów, która później uczyniła Garbusa sławnym - silnik z tyłu, chłodzenie powietrzem, aerodynamiczne nadwozie - a podobieństwa były na tyle duże, że stały się przedmiotem procesu sądowego. Powszechnie uznaje się, że projekt Tatry autorstwa Ledwinki miał wpływ na Garbusa; spór trwa jednak w kwestii szczegółów, od kogo do kogo przenoszono projekty, ponieważ charakterystyczne rozwiązania Tatry również kształtowały się na początku lat 30. W tym okresie nie tylko Tatra, ale i Mercedes-Benz eksperymentowały z silnikiem z tyłu: Modele lat 30., takie jak 130, 150 Sports Saloon, 150 Sports Roadster i 170 H, wypróbowały ten układ. Po stronie czechosłowackiej tradycja okazała się długowieczna; Tatra T603 z 1968 roku był wspaniałą kontynuacją tego dziedzictwa jako sedan z silnikiem z tyłu V8.
Triumf silnika z tyłu opiera się jednak na masie: ciężar silnika spoczywa nad tylnymi kołami i zwiększa przyczepność opon. Ta przewaga miała jednak wysoką cenę. W tylnosilnikowych modelach Tatra rozkład masy był wgnieciony do tyłu nawet w proporcji 70/30%, co prowadziło do słynnych problemów z prowadzeniem. Koncentracja masy na tylnej osi rodzi nieprzewidywalne zachowanie, gdy pojazd zbliża się do granicy zakrętu: auto dobrze zachowujące się poniżej granic przy niskich prędkościach może nagle napotkać ryzyko nadmiernego skrętu z powodu bezwładności - zjawiska zwanego lift-off oversteer. Gdy silnik znajduje się na tylnej osi, tył pojazdu przy wyjściu z zakrętu po odjęciu gazu może zachowywać się jak proca, która jakby próbowała wyprzedzić kierowcę.
Rewolucja silnika centralnego: Z toru wyścigowego na drogę
Układ centralnosilnikowy, umieszczający silnik za kabiną kierowcy, przed tylną osią, wyróżniał się na tle konkurencji wytrzymałością i osiągami w zakrętach, przybliżając rozkład masy do środka geometrycznego. Porsche 917, zaprezentowany w 1969 roku, był sports prototypem wyposażonym w płaski silnik Type 912 flat-12; choć wyprodukowano zaledwie 25 egzemplarzy na potrzeby homologacji, zdominował wyścigi samochodów sportowych. Zespół Salzburg wygrał 24 Godziny Le Mans 1970 roku dzięki 917K z tytułem całkowitego zwycięstwa, a 917K rządził wyścigami wytrzymałościowymi dzięki kolejnym zwycięstwom w Le Mans.
Po stronie samochodów drogowych pionierskim przykładem była Lamborghini Miura: Umieszczony poprzecznie, centralnie zamontowany 4,0-litrowy silnik V12 w 1965 roku był konfiguracją wyjątkową. W kolejnych dekadach ten sam schemat upowszechnił się z modelami takimi jak Lancia Montecarlo, Toyota MR2, Pontiac Fiero i pierwszej generacji Honda NSX; Wpływ na osiągi, bezpieczeństwo i prowadzenie
Rola umiejscowienia silnika wyjaśnia się podstawową fizyką:
położenie masy determinuje rozkład ciężaru, a gdy rozkład się zmienia, przyczepność i charakter jazdy poważnie się zmieniają. Niski środek ciężkości i zrównoważony rozkład poprawiają osiągi w zakrętach; w układach z napędem na tył zapewnia przewagę w przyczepności. Zmiana umiejscowienia przesuwa proporcję masy obciążającej jedną z osi - w istocie przenosząc ją na przód lub gromadząc z tyłu. Zmiana rozmieszczenia przesuwa proporcję masy obciążającej jedną z osi - w istocie przenosząc ją do przodu lub gromadząc ją z tyłu. Istnieje też pogląd przeciwny: komponenty w komorze silnika - łącznie z akumulatorem - stanowią stosunkowo niewielki udział w masie całkowitej, więc przesunięcie silnika z jednego miejsca w inne może w niektórych projektach zmienić rozkład masy mniej niż oczekiwano, a jego wpływ może pozostać porównywalny z detalami takimi jak rozmieszczenie akumulatora. W rzeczywistości oba poglądy się nie wykluczają: wpływ rozmieszczenia należy oceniać razem z architekturą nadwozia i bilansem masy.
Jeśli chodzi o bezpieczeństwo, wkład rozmieszczenia w poprzek był konkretny i mierzalny. Umieszczenie silnika w poprzek uwalnia podłużną przestrzeń w przedniej osi; przestrzeń tę można przekształcić w strefę zgniotu deformującą się przy zderzeniu czołowym. Volvo, począwszy od 1998 roku, przeszło na silniki poprzeczne we wszystkich swoich modelach, łącznie z V8; celem było zwiększenie przestrzeni wewnętrznej, ale układ ten poprawił również bezpieczeństwo przy zderzeniu czołowym, zapewniając dłuższą przestrzeń komory silnika i większą przednią strefę zgniotu. Bilans bezpieczeństwa układu z silnikiem z tyłu jest natomiast złożony: Porsche na początku lat 70. wyposażyło swoje z silnikiem z tyłu 911 w wzmocnienia konstrukcyjne i strefy zgniotu w stopniu, w który inżynierowie początkowo nie wierzyli, przekraczając wówczas obowiązujące normy zderzeniowe.
| Rozmieszczenie | Podstawowa zaleta | Typowa słabość | Punkt zwrotny |
|---|---|---|---|
| Przód, wzdłużnie | Praktyczne, powszechne, krótkie przewody chłodzenia | Długa maska, ciężar z przodu | Klasyczny układ |
| Tył | Zwiększony napęd na tył | Ryzyko nagłego nadsterowności | Tatra 97, Beetle |
| Środek | Zrównoważony rozkład, dobre prowadzenie | Pojemność kabiny i bagażnika | Porsche 917, Miura |
| Przód, w poprzek | Kompaktowe pakowanie, oszczędność miejsca | Limity układu napędowego | Mini, Fiat 128 |
Dlaczego rozmieszczenie wzdłużne wciąż jest preferowane w pojazdach sportowych?
Układ poprzeczny dominuje na rynku małych samochodów; z drugiej strony większość wysokowydajnych samochodów sportowych zachowuje rozmieszczenie wzdłużne. Istnieje kilka praktycznych powodów. Podłużny układ napędowy pozwala zmieścić w pojeździe większe i mocniejsze skrzynie biegów, zdolne przenieść moment obrotowy silnych silników. Ponadto w połączeniu z napędem na tylne kości wyraźnie dzieli funkcje napędu i kierowania między przednią i tylną oś; w zakręcie przednie opony zajmują się wyłącznie kierowaniem, tylne wyłącznie napędem.130|Podłużne ustawienie silnika, szczególnie w szerokich silnikach takich jak V i boxer, pozostawia wolną przestrzeń w komorze silnika. Podłużne ustawienie silnika, szczególnie w szerokich silnikach takich jak V i boxer, pozostawia wolną przestrzeń w komorze silnika.
Ten podział przekształca rozmieszczenie w identyfikator klasy pojazdu: w segmencie ekonomicznym i kompaktowym mówi się o poprzecznym napędzie na przednie koła, w języku segmentu wydajności o wzdłużnym napędzie na tylne koła lub silniku centralnym. Wybór rozmieszczenia przez producenta w danym modelu to nie tylko szczegół techniczny, lecz także informacja o grupie docelowej pojazdu i pozycjonowaniu cenowym.
Zakończenie: Dziedzictwo prostego wyboru geometrii
Patrząc na ponadstuletnią historię samochodu z silnikiem spalinowym, kierunek wału korbowego i położenie silnika kształtowały automobile równie mocno, jak liczba cylindrów i architektura silnika. Poprzecznie zabudowana skrzynia biegów Issigonisa i wał napędowy Giacosy są przodkami niemal każdego kompaktowego samochodu wyjeżdżającego dziś na drogi. Chłodzony powietrzem silnik, który Ledwinka umieścił za tylną osią, dotarł przez Garbusa do milionów rodzin i stał się początkiem tradycji, którą Porsche 911 kontynuuje do dziś. Z kolei silnik centralny opuścił tor wyścigowy i zajął miejsce na szczycie samochodów drogowych. Pozornie prosta decyzja, gdzie i w jakim kierunku umieścić silnik, to dziedzictwo inżynieryjne, które przepisuje na nowo każdy aspekt - od prowadzenia po bezpieczeństwo, od kosztów produkcji po klasę pojazdu.
Źródła
- Silnik poprzeczny
- Silnik wzdłużny
- Tatra 97
- Porsche 917
- Czym jest Porsche 917? - Porsche Stories
- Team Salzburg Porsche 917K - Sports Car Digest
- Historia firmy - Mercedes-Benz
- Historia Mercedesa-Benz: samochody z silnikiem z tyłu - eMercedesBenz
- Nieopowiedziana historia początków Porsche 911 - Woodside Credit
- Tatra T603/3 z 1968 roku - Audrain Automuseum
- Silniki poprzeczne czy wzdłużne - Car Throttle
- Jak umiejscowienie silnika wpływa na prowadzenie - CarParts
- Jak umiejscowienie silnika wpływa na prowadzenie? - RankWorks
- Jak pozycja silnika wpływa na rozkład masy - MotoIQ
- Porsche 911: samochód, który nie powinien działać, a działa - CAR Magazine
- Układy silników poprzecznych i wzdłużnych - paultan.org
- Dlaczego większość samochodów o wysokich osiągach ma silniki wzdłużne? - Mechanics StackExchange