Автомобили, припаркованные на крыше Buick Sales and Service.
Глава 12Эволюция автомобиля
В первые годы существования автомобильной отрасли наши инженеры и изобретатели считали своей основной задачей обеспечить надежность – заставить автомобиль самостоятельно совершать поездки туда и обратно. Многие яркие автомобильные идеи в итоге заканчивались буксировочным тросом, лошадиной тягой и насмешками. Хотя прогресс обходился дорого, американские автомобилисты были готовы платить за него. С энтузиазмом относясь к индивидуальным транспортным средствам, они покупали автомобили, надежные или ненадежные, предоставляя тем самым значительную часть рискового капитала для финансирования экспериментов и производства. Немногие отрасли могут похвастаться такой благосклонностью со стороны потребителей. В 1920-х годах надежность автомобиля относительно уличных и дорожных условий того времени была достаточно высокой. Индивидуальные механические транспортные средства, которые являются одним из величайших достижений человечества, стали общепринятой частью жизни, и каждый мог ими воспользоваться.
Какими бы значительными ни были технические достижения после 1920-х годов, сегодня по большому счету мы имеем такую же машину, которая была создана в первые двадцать лет существования отрасли. Автомобиль по-прежнему приводится в движение бензиновым двигателем. Основным элементом двигателя все так же остается поршень, движение которого в цилиндре есть результат горения смеси бензина и воздуха, воспламеняемой через регулярные интервалы времени при помощи электрической искры от свечи зажигания. Поршень вращает коленчатый вал, который через передаточный механизм вращает задние колеса. Пружинные амортизаторы и резиновые шины смягчают толчки и сотрясения, а тормоза останавливают автомобиль за счет приложения к колесам тормозного усилия.
Однако с 1920-х годов разработчики в значительной степени усовершенствовали каждый узел или систему. Они позаботились об эффективности двигателей, чтобы те могли развивать более высокую мощность и обеспечивать бо́льшую плавность хода при том же самом расходе топлива. Было значительно улучшено топливо. Коробку передач (трансмиссию) модернизировали многократно, в результате она стала полностью автоматической. Непростой путь развития прошли система подвески и шины – теперь они обеспечивают качество езды, которое невозможно было даже представить себе сорок лет назад. Водитель получил дополнительные возможности для торможения и управления, а также для манипулирования оконными стеклами, сиденьями и радиоантеннами. Для окраски кузова используют широкую палитру цветов, сам кузов теперь изготавливают целиком из стали и устанавливают безопасные стекла. Чем более совершенным становился автомобиль, тем более возрастала его значимость в повседневной жизни. Параллельно повышались требования к качеству дорог и автомагистралей. Трудно себе представить, какое воздействие качество сегодняшних дорог могло бы оказать на развитие автомобилестроения в начале 1920-х годов.
Современному водителю типичный для 1920-х годов автомобиль, конечно, покажется совершенно неудовлетворительным: четырехцилиндровый двигатель с совершенно несбалансированными коленчатым валом, шатунами и поршнями. Тормоза на таком автомобиле обычно устанавливали только на двух задних колесах, у него не было независимой подвески передних колес, коробка передач имела скользящие шестерни, а двигатель отличался низкой мощностью. Автомобиль вибрировал, а колеса часто испытывали угловые колебания. Машину уводило в сторону, а при торможении она иногда начинала скользить. Ход автомобиля был неровным и жестким, сцепление заедало, шестерни при переключении передач часто сталкивались друг с другом, а при движении в более-менее крутую гору всегда приходилось переключаться на малую тягу (при ее наличии). Но автомобиль обычно ездил без поломок и даже был способен доехать не только туда, но и обратно. К счастью, его скорость, как и дальность передвижения, были ограниченны, так что его многочисленные дефекты не превратились в серьезные недостатки. Он был неплохо приспособлен к окружающей среде, а его основные детали отличались приемлемой взаимозаменяемостью, несмотря на малую степень интеграции и низкую эффективность работы отрасли.
Мы видели свою основную задачу при разработке автомобиля в том, чтобы увеличить его эффективность, что зачастую означало повышение интеграции. Современный автомобиль, в отличие от набора не слишком хорошо состыкованных между собой частей и механизмов автомобиля пятидесятилетней давности, представляет собой сложное и весьма интегрированное изделие машиностроения. Его отличают высокая производительность, удобство в эксплуатации и уровень комфорта, которые стали результатом передовых достижений конструкторской мысли.
Научно-исследовательские лаборатории и инженерный состав корпорации General Motors, сыгравшие важную роль в развитии автомобиля за прошедшие пятьдесят лет, по-прежнему находятся в авангарде научных и технических разработок автомобильной отрасли. Невозможно перечислить все достижения General Motors и отрасли в целом: для этого потребовалось бы отдельная книга. В этой главе я расскажу лишь о нескольких наиболее важных и взаимосвязанных достижениях.
Этилированный бензин и двигатели с высокой степенью сжатия
Первый в истории концепт-кар Buick Y-Job Харли Эрла. Все в этой машине опережало свое время на 10–15 лет. Детище Эрла задало темп автомобильной промышленности, наработки Buick Y-Job были использованы при конструировании серийных машин 40-х годов.
Главной проблемой в автомобилестроительной технике стал поиск топлива и двигателя, которые бы в наибольшей степени соответствовали друг другу. Производительность поршневого двигателя – его способность наиболее эффективно использовать топливо, а значит, выдавать максимальную мощность при заданном расходе топлива – зависит от степени сжатия. Концепция сжатия достаточно проста, но для неспециалиста, возможно, стоит дать краткие пояснения. В процессе движения поршень в одном из своих положений находится в нижней части цилиндра двигателя, а в другом положении – в верхней части. В нижней точке хода поршня цилиндр заполняется топливом – смесью паров бензина с воздухом. В верхней точке хода топливная смесь сжимается. Под действием электрической искры топливо воспламеняется, горячие газы расширяются и толкают поршень вниз. Поршень при своем движении вниз поворачивает коленчатый вал, который передает мощность двигателя на колеса. Степень сжатия – это соотношение между объемом цилиндра, когда поршень находится в нижнем положении, и объемом цилиндра, когда поршень находится в верхнем положении. Это соотношение позволяет сопоставить объем топлива в несжатом и в сжатом состоянии. В начале 1920-х годов средняя степень сжатия оставляла примерно четыре к одному.
Как я уже говорил, чтобы создать более эффективный и мощный двигатель заданного объема, требовалось увеличить степень сжатия. Но здесь возникла серьезная проблема: детонация двигателя. Чтобы двигать поршень вниз, смесь паров бензина и воздуха должна была сгорать относительно медленно. В случае детонации – слишком быстрого сгорания – поршень не мог двигаться с достаточной скоростью, чтобы эффективно создавать усилие на валу. По существу, детонация двигателя приводит не только к потере мощности – резкое увеличение усилия нагружает элементы двигателя, что может вывести (и выводит) двигатель из строя.
Чтобы увеличить степень сжатия, нужно было найти способ уменьшить детонацию двигателя. Но в чем причина детонации? На заре автомобилестроения конструкторы заметили, что уменьшить детонацию можно путем изменения момента проскакивания искры. На большинстве автомобилей устанавливали рычаг ручной регулировки зажигания – такая конструкция сохранялась в течение многих лет. При этом водитель мог выбирать наилучшую настройку зажигания для различных условий движения. Например, при движении в гору следовало отсрочить момент зажигания, чтобы предотвратить детонацию двигателя при работе с повышенной нагрузкой.
Чарльз Кеттеринг – тот человек в General Motors, который начал исследовать детонацию двигателя и внес важный вклад в решение этой проблемы. Его давно интересовали вопросы зажигания, состава топлива и т. д. Сегодня вы не найдете ни одного автомобиля и ни одного самолета с поршневым двигателем, в котором не использовалось бы недетонирующее топливо – этилированный бензин, содержащий в качестве добавки тетраэтилсвинец, и разработал его именно Кеттеринг. Он пришел в General Motors, уже обладая определенными знаниями в этой области, а когда решение было найдено, он работал директором корпорации General Motors по научно-исследовательской работе.
Вплоть до Первой мировой войны считалось, что детонацию вызывает опережающее зажигание, когда искра проскакивает слишком рано. Вскоре после войны установили, что существует еще одни вид детонации, получивший название «детонация топлива». Ее удавалось устранить или уменьшить только путем замены топлива и изменения параметров топлива без регулировки зажигания. Одним из исследователей, работавших над этой проблемой, был Томас Миджли (Thomas Midgley). Он пришел в General Motors из технической лаборатории Дейтона, где был помощником Кеттеринга, а в начале 1920-х годов стал руководителем топливного подразделения научно-исследовательского центра General Motors. Вот слова Роберта Уилсона (Robert E. Wilson), бывшего председателя компании Standard Oil of Indiana и близкого друга Миджли:
«…Миджли со всей определенностью доказал, что, в противоположность сложившемуся мнению, детонация и раннее зажигание – разные явления, и что детонация представляет собой химическую характеристику топлива. Он показал, что бензол и циклогексан, который он успешно применял в своих опытах в лаборатории Дейтона, подвержены детонации гораздо меньше, чем бензин, а бензин – гораздо меньше, чем керосин».
Практически всякий раз, когда я встречал Тома, он обрушивал на меня новую теорию механизма детонации или противодействия ее проявлению – я в ответ выражал профессиональный скептицизм. Хотя теории обычно опровергались последующими экспериментами, они всегда стимулировали работу научной мысли и зачастую вели к важным открытиям. Самым ярким примером стала одна из ранних работ Миджли, где он попытался теоретически обосновать, почему керосин детонирует сильнее, чем бензин. Он заметил очевидную разницу в летучести и предположил, что бо́льшая часть керосина после начала воспламенения остается в капельном виде, а затем очень быстро переходит в парообразное состояние с последующей вспышкой. Далее Миджли предположил, что путем добавления в керосин красителя можно добиться того, что капли будут поглощать тепло, выделяющееся в камере сгорания, и, следовательно, быстрее переходить в парообразное состояние.
Если бы Том был хорошим физиком, он мог бы опровергнуть эту теорию путем расчетов, но, будучи инженером-механиком, он решил, что гораздо проще провести опыт, чем корпеть над вычислениями. Он отправился на склад в поисках какой-нибудь маслорастворимой краски и, как это обычно бывает, не нашел требуемый продукт. Однако Фред Чейз (Fred Chase) высказал предположение, что йод растворяется в масле и его можно использовать в качестве красителя для керосина. Том растворил в керосине значительное количество йода, испытал эту смесь в типовом двигателе с высокой степенью сжатия и с удовлетворением обнаружил, что детонация исчезла.
После этого он немедленно отправил людей в Дейтон для поиска подходящих образцов маслорастворимых красок и в тот же день один за другим испытал несколько из них, не получив ни малейшего положительного результата. Чтобы решить проблему, он добавил в бензин бесцветное соединение йода и обнаружил, что это прекратило детонацию. В результате первоначальная теория детонации была отвергнута, но одновременно с этой неудачей произошло рождение Тома как химика. В течение следующих нескольких лет он жадно изучал все разделы химии, чтобы попытаться найти объяснение своим наблюдениям и получить новые вещества для испытания их в качестве антидетонационных агентов.
Особый энтузиазм у Тома вызвала возможность применения анилина. Как правило, когда он находил новый антидетонационный агент, он пытался усовершенствовать методы производства и снизить издержки, чтобы применение было экономически обоснованным. Он также возлагал определенные надежды на свое первое этилсодержащее соединение, йодид этила. Если бы удалось обнаружить обильный источник йода…
На ежегодном заседании Общества инженеров-автомобилистов, которое прошло в Нью-Йорке в январе 1922 года, Том с большим волнением тайно продемонстрировал мне небольшое количество тетраэтилсвинца в пробирке и сообщил, что это реальное решение проблемы. Он сказал, что эффективность этого вещества намного выше, чем любого найденного ранее, и оно, похоже, лишено тех недостатков, с которыми он сталкивался ранее. Конечно, он пока еще не оценивал ни токсичность вещества, ни проблемы с его хранением.
Таким образом, после нескольких лет экспериментов Кеттеринга и Миджли, а также научно-исследовательского центра General Motors мы получили решение проблемы, а мир – важное изобретение. Но одно дело – изобрести, а другое – вывести его результат на рынок. Короче говоря, в августе 1924 года мы создали корпорацию под названием Ethyl Gasoline Corporation для продажи тетраэтилсвинца как антидетонационной добавки. Эта корпорация в равных долях принадлежала General Motors и Standard Oil of New Jersey. Первоначально этиловую жидкость производила корпорация du Pont по контракту, и только после 1948 года корпорация Ethyl Gasoline начала выпускать ее в соответствии со своими собственными техническими условиями.
Тетраэтилсвинец стал только одним из этапов на пути создания двигателей с высокой степенью сжатия. Несмотря на то, что он способствовал повышению качества топлива, само топливо в начале 1920-х годов существенно различалось по своему качеству. Не было способа сравнения одного образца топлива с другим, чтобы определить относительную ценность его применения в бензиновом двигателе.
General Motors изучила ситуацию и разработала метод оценки антидетонационных качеств топлива, или возможности эффективного использования данного вида топлива в двигателях с повышенной степенью сжатия. В соответствии с методикой топливу присваивалось определенное «октановое число». Октан – это топливо, практически не подверженное детонации. Таким образом, топливо с октановым числом 100 с практической точки зрения считалось идеальным. Доктор Грэм Эдгар (Graham Edgar) из корпорации Ethyl Gasoline придумал октановую шкалу в 1926 году, а Кеттеринг и инженеры-исследователи разработали первый образец одноцилиндрового двигателя с переменной степенью сжатия, который позволял измерять октановое число топлива. В этом двигателе использовался принцип переменной степени сжатия, который позднее стал стандартом для автомобилестроительной и нефтяной отраслей.
После начала Второй мировой войны General Motors переквалифицировалась в крупнейшего производителя продукции военного назначения, а когда война закончилась – оперативно вернулась к мирному производству.
Разумеется, один из способов повышения октанового числа заключался в добавлении тетраэтилсвинца, но был и другой путь – повышение качества переработки сырой нефти. Значительный прогресс технологий крекинга и риформинга сырой нефти позволил увеличить выход бензина из одного барреля сырья и повысить октановое число топлива перед добавлением тетраэтилсвинца. Это была еще одна драматическая история исследований, где Кеттеринг и его помощники также оказались первопроходцами. Октановое число продаваемого на автозаправках коммерческого бензина было увеличено с 50–55 в начале 1920-х годов, до 95, а в настоящее время оно может превышать 100 (в авиационном бензине октановое число еще выше). Это оказало громадное влияние на снижение удельного расхода топлива для заданного стандарта технических характеристик и повлияло на эффективность использования нефтяных ресурсов (прим. 12–1).
Другим способом снижения детонации стала конструкция самого двигателя. Сегодня нам известно, что в камере сгорания двигателя при вспышке паров топлива формируются очень сложные условия, порождающие ударную волну. Ударная волна может привести к быстрому повышению температуры топлива и детонации. По результатам исследований различных форм и контуров головок блока цилиндров и камер сгорания были предложены особые формы, которые обеспечивали снижение эффекта детонации и одновременно позволяли достичь наибольшей возможной степени сжатия.
Попутно стоит сказать об одной конструктивной проблеме двигателя, которая независимо от используемого топлива серьезно ограничивает разработку более мощных двигателей. Инженеры General Motors внесли значительный вклад в решение этой проблемы. Вибрация, которая всегда доставляет неприятности, становится гораздо более серьезной технической проблемой по мере увеличения скорости и мощности. Несбалансированное вращение и наличие в двигателе элементов с возвратно-поступательным характером движения становились источником разрушительных вибраций и ограничивали прогресс автомобилестроения.
Одним из основных источников вибрации является коленчатый вал, «хребет двигателя»: любой его дисбаланс сказывается на работе двигателя и автомобиля в целом. Научно-исследовательский центр General Motors в начале 1920-х годов приступил к решению проблемы балансировки двигателей. В 1924 году мы разработали первый станок по балансировке коленчатых валов и впервые применили его при производстве двигателей автомобилей Cadillac. Этот станок теперь используется во всем мире, но тогда это была эксклюзивная разработка General Motors, что позволило нам надолго стать лидером отрасли в области балансировки двигателей. Как и в случае с другими нашими передовыми разработками, мы наладили продажу этого оборудования другим производителям двигателей. Точная балансировка стала важным шагом для уменьшения износа и снижения опасности разрушения всей конструкции автомобиля. Она также способствовала более быстрому увеличению мощности и скорости вращения практически всех создаваемых нами двигателей.
Чем больше мы узнавали о детонации, тем ближе мы подходили к двигателям с высокой степенью сжатия. Со степеней сжатий «четыре к одному», которые практиковались в начале 1920-х годов, мы пришли к степеням сжатия «десять к одному» и более. Разработка топлива и двигателей проходила скачкообразно: двигатель с более высокой степенью сжатия требовал более качественного топлива, а наличие более качественного топлива стимулировало производство более эффективных двигателей. По настоянию автомобилестроителей инженеры нефтяной отрасли разработали виды топлива с более высоким октановым числом. Чтобы содействовать разработке топлива с более высоким октановым числом, General Motors предоставила коллегам из нефтяной отрасли большое количество двигателей для испытаний.
Таким образом, изобретение тетраэтилсвинца и высокооктановых видов топлива создали условия для совершенствования двигателя внутреннего сгорания в долгосрочной перспективе.
Разработка коробки передач
Полагаю, всем известно, что назначение коробки передач – передавать мощность двигателя на колеса автомобиля, и что она позволяет изменять соотношение скоростей двигателя и колес. Мощность, развиваемая двигателем, зависит от нескольких факторов, но главным образом – от частоты вращения коленчатого вала двигателя. На старых машинах с небольшой мощностью это было наглядно видно при движении в гору. Для получения необходимой мощности обычно требовалось существенно увеличить частоту вращения двигателя и перейти на более низкую передачу. В 1920-х годах ручное переключение передач, обычно через трехступенчатую коробку, как правило, сопровождалось существенным толчком, если только водитель не был достаточно искусным.
С момента основания научно-исследовательского центра General Motors в 1920 году коробки передач заняли важное место в его работе. Поначалу мы сосредоточились на электрических передачах разных типов, поскольку значительная часть первого состава инженеров имела электротехническое образование. Был разработан электрический привод, и один из его вариантов некоторое время мы применяли на автобусах General Motors. Электрическая передача, которая была испытана на очень раннем этапе автомобилестроения (на легковых автомобилях Columbia и Owen-Magnetic), в конечном итоге стала в основном применяться на крупных транспортных средствах. Эта особая форма трансмиссии используется сегодня на наших дизельных локомотивах.
С 1923 года интерес нашего научно-исследовательского подразделения к электрическим передачам для легковых автомобилей начал падать. Мы занялись автоматическими коробками передач, в том числе коробками «бесступенчатого» типа. Такие трансмиссии позволяли осуществлять переключение скоростей в непрерывной последовательности, в отличие от фиксированных шагов в стандартной коробке передач. Также мы рассматривали коробки ступенчатого типа, имеющие фиксированное количество скоростей, но они переключались автоматически. Уже в середине 1920-х годов в круг наших интересов попали полностью автоматические коробки передач, где использовалась трансмиссия гидравлического типа с лопастными турбинными колесами. Большинство общих принципов конструкции полностью автоматических коробок передач были нам известны – мы тщательно их исследовали еще пятнадцать лет до того, как их стали устанавливать на серийные автомобили.
В конце 1920-х годов General Motors разработала механическую коробку с синхронизатором, которая позволяла практически любому водителю переключаться с одной скорости на другую без толчков и ударов в редукторе.
Эта значимая новинка была внедрена в производство на предприятии Cadillac в 1928 году, а затем ее переняли инженеры других автомобильных подразделений General Motors. После усовершенствований мы запустили это изделие в крупносерийное производство на нашем старом предприятии Muncie Products. К 1932 году мы устанавливали коробки передач с синхронизатором на все выпускаемые General Motors модели легковых автомобилей Chevrolet.
К 1928 году наше научно-исследовательское подразделение разработало автоматическую коробку, которая устроила всех: трансмиссия бесступенчатого типа с использованием механического принципа передачи усилия через трение «сталь по стали», как в шарикоподшипнике. Эту трансмиссию мы поручили сконструировать подразделению Buick, поскольку у нас на тот момент не было собственной инженерной службы. Они изготовили и испытали множество образцов, и в 1932 году, наконец, мы запустили этот тип трансмиссии в производство. Однако, несмотря на все наши усилия, мы так и не смогли устранить все возникшие проблемы, поэтому эта коробка передач не получила массового распространения – ее никогда не устанавливали на серийные автомобили General Motors, хотя многие экспериментальные образцы мы опробовали на наших испытательных моделях автомобилей. Конечно, хорошо, что мы изучили все особенности, присущие бесступенчатым коробкам передач, однако оказалось, что применение столь специфического типа взаимодействия «сталь по стали» не решало проблему. Я был убежден, что такая коробка окажется слишком дорогой и лучше отказаться от ее применения для наших автомобилей.
Наши исследователи и инженеры продолжали работать над различными типами автоматических коробок передач. К 1934 году группа инженеров из подразделения Cadillac вплотную подошла к созданию первой массовой автоматической коробки передач Hydra-Matic для легковых автомобилей, которая стала прообразом современной автоматической трансмиссии. Эта группа была создана в инженерной службе корпорации в конце 1934 года, затем ее преобразовали в группу по разработке коробок передач. Они занимались трансмиссией ступенчатого, а не бесступенчатого типа, однако она автоматически переключалась под действием крутящего момента, как и все современные автоматические приводы. (Момент – это сила вращения, передаваемая двигателем на вал привода.) Эта группа инженеров также подготовила планы производства таких устройств с различными типоразмерами, предназначенными для использования их на разных моделях автомобилей General Motors в зависимости от мощности и требований к нагрузке.
Был изготовлен ряд пилотных моделей, которые передали инженерам Oldsmobile для испытаний. На протяжении 1935 и 1936 годов автомобили, на которых были установлены различные экспериментальные изделия, накатали тысячи миль – от одного побережья Соединенных Штатов до другого. В 1937 году такие полуавтоматические коробки передач мы стали устанавливать на автомобили Oldsmobile и Buick (1938 года выпуска) (в полуавтоматической коробке передач имеется несколько ступеней переключения, одну или несколько из которых можно выбрать вручную, а одна или более выбираются автоматически.) Эти коробки, которые производило подразделение Buick, все еще требовали использования педали сцепления при запуске и останове. Вскоре наши инженеры обнаружили, что от сцепления и педали можно отказаться за счет использования гидромуфты, встроенной в коробку передач. Такая возможность и разработка полнофункциональной системы автоматического управления привели к созданию трансмиссии Hydra-Matic, которую начало выпускать вновь созданное подразделение Detroit Transmission. Выпуск трансмиссии был анонсирован в октябре 1939 года, и ее впервые установили на автомобиль Oldsmobile 1940 года выпуска. Далее новую трансмиссию применило подразделение Cadillac в своих моделях выпуска 1941 года.
Между тем инженеры подразделения GMC Truck & Coach разрабатывали другой тип автоматической коробки передач – так называемый преобразователь крутящего момента на базе гидротурбины. Такие устройства имели несколько колес с лопастями, причем лопасти устанавливали под такими углами, что одно колесо, непосредственно приводимое во вращение двигателем, могло направлять объем жидкости на второе колесо, соединенное с выходным валом, тем самым передавая на этот вал вращающее усилие. Также предусматривались дополнительные колеса с лопастями, изменяющие характер потока жидкости и, таким образом, влияющие на разность скоростей между двигателем и выходным валом (другими словами, передаточное число). При этом переключение скоростей происходило очень плавно.
Конструкцию гидравлического преобразователя крутящего момента (гидротрансформатора), с которым инженеры General Motors работали поначалу, придумали в Европе. Было разработано устройство, которое наилучшим образом соответствовало эксплуатационным стандартам для американских автобусов. Мы впервые начали использовать такую трансмиссию в 1937 году на своих автобусах, и вскоре она получила широкое распространение. Накануне вступления США во Вторую мировую войну, в октябре 1941 года, наша группа по разработке коробок передач решала задачу адаптации гидротрансформатора к легковым автомобилям.
Когда США вступили в войну, мы приостановили разработку автоматических коробок передач для легковых автомобилей. Однако для применения автоматических коробок передач открылось новая обширная область. Водителей легковых автомобилей автоматическая коробка передач привлекала удобством и простотой в эксплуатации – при вождении не приходилось задумываться о переключении скоростей. Что касается автобусов, грузовиков, танков, тракторов и других крупных транспортных средств военного применения, то здесь автоматические трансмиссии необходимы для обеспечения плавности хода. Уже в 1938 году военные инженеры убеждали нас заняться разработкой трансмиссий для больших машин, таких как танки М-3 и М-4. На тот момент ими управляли при помощи рычагов, и в ряде случаев водителю для переключения передачи приходилось отпускать один из рычагов управления. Кроме того, скорость машины в момент переключения передачи могла резко упасть и привести к остановке двигателя. Неподвижная машина превращалась в отличную мишень.
Я пошел против распространенного среди экономистов мнения о том, что после войны экономике грозит кризис.
Инженерная группа по разработке коробок передач сконструировала для таких танков мощную трансмиссию Hydra-Matic. Однако военные планировали выпуск тяжелых танков, оснащенных более мощными орудиями и имеющих более толстую броню. Для них мы изучали возможность применения гидротрансформатора. Вскоре после вступления США в войну мы создали пилотную модель гидротрансформатора, которая решала проблему сохранения движения при изменении соотношения между скоростью двигателя и скоростью транспортного средства. В годы Второй мировой войны подразделения General Motors произвели большое количество таких трансмиссий.
Корпорации также принадлежит авторство специализированной танковой трансмиссии и системы управления, известной как поперечная передача. Она позволяет водителю более точно и с относительно небольшими усилиями управлять машинами массой более пятидесяти тонн, а также рулить, тормозить и автоматически переключать скорость при помощи сервоприводов. Такие приводы с поперечной передачей используются в самоходных артиллерийских установках, амфибиях, тяжелых грузовиках и других транспортных средствах большой массы. Мы продолжили разработки в этой области и после войны.
В послевоенный период инженерная служба приступила к программе адаптации гидротрансформатора к легковым автомобилям. Программа имела успех, ее результатом стало появление моделей автомобилей Buick Dynaflow в 1948 году и Chevrolet Powerglide в 1950 году. Модель Dynaflow стала первым серийным автомобилем с гидротрансформатором для легковых автомобилей.
Таким образом, к 1948 году после долгих лет исследований и инженерных разработок General Motors предложила для массового применения две различные модели полностью автоматических коробок передач (Hydra-Matic и гидротрансформатор), которые было выгодно ставить даже на недорогие автомобили. С самого начала покупатели оценили автоматические коробки передач во всех наших моделях автомобилей – и активно голосовали кошельком. Другие производители автомобилей по мере возможности также использовали подобные устройства в своих машинах, и в некоторых случаях автоматические коробки передач изготавливала для них компания General Motors. Если говорить о моделях 1962 года, то около 74 % всех легковых автомобилей, продаваемых в США, включая автомобили General Motors, были оснащены автоматическими коробками передач. Из легковых автомобилей General Motors автоматическую коробку передач имеют 67 % автомобилей Chevrolet, 91 % автомобилей Pontiacs, 95 % автомобилей Buicks, 97 % автомобилей Oldsmobile и 100 % автомобилей Cadillacs. За 1962 год в отрасли было произведено порядка 5 млн автоматических коробок передач, из которых около 2,7 млн были установлены на автомобили General Motors. Так это устройство, которое поначалу считалось экзотическим, стало неотъемлемой частью американского автомобиля.
Шины и подвеска передних колес
Проблема, как добиться более плавной, без толчков и сотрясений, езды, с самого начала была в автомобилестроение наиболее сложной. Поскольку автомобиль двигался гораздо быстрее конного экипажа, все неровности на поверхности дороги автопассажиры испытывали на своей шкуре. Двигатель внутреннего сгорания добавлял еще один источник неудобств – вибрации. Таким образом, улучшение амортизации толчков и повышение комфортабельности езды для водителя и пассажиров были необходимы, и эта необходимость росла по мере повышения скорости автомобилей.
Одно из решений этой проблемы – использование шин. В первых автомобилях применялись цельные резиновые или вентилируемые резиновые шины. Очень скоро им на смену пришли шины, накачанные воздухом, но на этом этапе автомобилестроения ни резина, ни сама структура шин не отличались качеством, а при любой длительной поездке приходилось периодически менять шины.
В начале 1920-х годов компании, производящие изделия из резины, достаточно хорошо изучили методы изготовления, химию, технологию вулканизации резины и особенности применяемого сырья. Шины стали намного качественнее, и инженеры начали рассматривать возможность применения шин низкого давления, которые позволили бы создать более мягкую и более упругую пневматическую подушку между колесом и дорогой. Проблемы на этом этапе были связанны с ездой и с рулевым управлением: неустойчивость передней части автомобиля, истирание протекторов, визг резины на поворотах, занос в условиях резкого торможения, а также биение колеса в вертикальной и боковой плоскостях, вызванное некоторым дисбалансом между вращающейся массой шины и колеса. Эти явления не представляли серьезных проблем до тех пор, пока владельцы автомобилей не начали ездить на большие расстояния и с высокой скоростью.
Разработка таких современных шин низкого давления, конечно же, не обошлась без инженеров General Motors, вклад которых был значительным, поскольку они участвовали в многокилометровых испытательных пробегах в различных дорожных условиях. Комитет по общетехническим вопросам с самого начала поддерживал тесные контакты с предприятиями шинной промышленности по вопросам стандартизации размеров, выбора наилучших моделей, протекторов и профилей шин. Наши рекомендации, основанные на проведенных исследованиях, способствовали тому, что шины год от года становились все качественнее и надежнее.
Вторая проблема, вызванная необходимостью повышения качества езды, была связана с подвеской – системой крепления колес к шасси, и это была более сложная техническая проблема.
В ходе одной из первых поездок за границу мое внимание привлекла инженерная разработка, применяемая при производстве европейских автомобилей, – независимые амортизаторы передних колес. До этого времени независимая пружинная подвеска при производстве автомобилей в США не применялась. Использование этого принципа, конечно, значительно повышало комфортность езды.
Во Франции я познакомился с инженером Андре Дюбонне (Andre Dubonnet), который много лет занимался этим вопросом и получил патент на один из видов независимой пружинной подвески. Я пригласил его в США, где познакомил с нашими инженерами.
Независимо от меня Лоуренс Фишер, в то время генеральный директор подразделения Cadillac, привлек к решению проблемы амортизации бывшего инженера Rolls-Royce Мориса Олли (Maurice Olley), который имел опыт в этой области. В адресованном мне письме Олли поделился своими воспоминаниями, связанными с разработкой независимой подвески. Продолжу историю с его слов:
«Вы спрашиваете о моих воспоминаниях относительно независимой подвески на автомобилях General Motors. Прошу извинить за очень личный характер следующих заметок, из-за чего может сложиться впечатление, что изобретение независимой подвески стало результатом усилий одного человека. Это далеко не так, и я во многом обязан Генри Крейну, Эрнсту Сихолму (Ernest Seaholm), главному инженеру подразделения Cadillac, Чарльзу Кеттерингу и ряду инженеров подразделений Cadillac и Buick. Также хочу поблагодарить за терпимость и неизменную поддержку господина Фишера, который, будучи тогда первым человеком в GM, распорядился выделить мне 250 тыс. долл. на создание двух экспериментальных автомобилей.
Как вы помните, я перешел из Rolls Royce в Cadillac в 1930 году. Честно говоря, я был удивлен популярности продукции Rolls Royce. Автомобиль Rolls Royce недавно подвергся феноменальному испытанию на новом полигоне GM Proving Grounds и был представлен для обследования…
В компании Rolls Royce на протяжении последних нескольких лет уделяли внимание плавности движения. Британское предприятие было заинтересовано в этой работе, поскольку автомобили, которые считались вполне приемлемыми для британских дорог, не удовлетворяли требованиям при экспорте, даже для таких хороших дорог, как в США. Мы начали понимать, что причина здесь не в том, что американские дороги хуже, а в том, что неровности на них имеют другую форму.
Мы проделали большую работу по измерению моментов инерции, жесткости рам шасси и жесткости подвески пружинных рессор, установленных на реальном автомобиле. Для этого автомобили, закрепленные в подвесных шарнирных опорах, подвергались раскачивающим усилиям. Британское предприятие также разработало один из первых практичных приборов для определения качества езды (толчкомер), который позволял измерить, сколько воды теряется из контейнера с открытой крышкой при прохождении заданного расстояния с различными скоростями.
Некоторые из этих методик в 1930 году переняло подразделение Cadillac, и вскоре мы так же раскачивали автомобили, измеряли параметры установленных пружинных рессор и т. д. По примеру Rolls Royce мы создали стенд для изучения колебаний амортизаторов подвески (первый в Детройте) и пользовались им для имитации движения неподвижно стоящего автомобиля.
Уже в 1932 году мы создали стенд K 2 Rig. В его состав входили семь полностью укомплектованных пассажирских лимузинов, на которых мы при помощи подвижных грузов добивались любых требуемых изменений передних и задних амортизаторов, а также момента инерции автомобиля. Для измерения качества езды мы не использовали никаких инструментальных средств. При помощи Генри Крейна, который следил за нашими действиями, мы просто отвечали на вопрос, при каких условиях качество езды оказывалось наилучшим.
Это была самая удачная методика, поскольку тогда мы не знали (как не знаем и сегодня), что такое хорошая езда, но зато наши впечатления оставались свежими, и в течение одного дня испытаний мы могли предложить столько важных изменений в качество езды на данном конкретном транспортном средстве, что удавалось провести непосредственное сравнение.
Именно на этом этапе в начале 1932 года мы начали понимать, что наиболее перспективной является независимая подвеска. Опыты на стенде K 2 Rig со всей определенностью показали, что плавная, без толчков и сотрясений, езда, которая была тогда совершенно в новинку, возможна, если передние амортизаторы будут более мягкими по сравнению с задними. Но вы помните, что все попытки использования слишком мягких передних амортизаторов с традиционным передним мостом плохо себя зарекомендовали из-за возникновения угловых колебаний колес и потери устойчивости управления.
Таким образом, после испытаний на стенде K 2 Rig мы создали два экспериментальных автомобиля Cadillac с двумя различными вариантами независимой передней подвески. (Одну из них разработал Дюбонне, а другую – подвеску рычажного типа – мы.) Также мы применили независимую заднюю подвеску, поскольку мы учитывали, что в ближайшем будущем нам придется отказаться от традиционного заднего моста (по моему мнению, это изменение назрело уже несколько лет назад).
В ходе испытаний этих машин, в которых принимали участие многие инженеры корпорации, стало очевидно, что мы достигли удивительного результата в плане повышения комфортности езды и управления автомобилем. Но возник и ряд типичных проблем. Главной из них стало появление колебаний в рулевом управлении, в особенности в случае подвески рычажного типа.
Нам пришлось несколько раз перерабатывать рулевой механизм.
Наконец, в марте 1933 года, мы решились на публичную демонстрацию. В начале марта комитет по общетехническим вопросам собрался в инженерном корпусе Cadillac, чтобы на деле испытать наши два экспериментальных автомобиля и автомобиль Buick без независимой передней подвески, но имеющий бесступенчатую коробку передач.
Помню, что Вы и господин Грант ехали в одной из машин с рычажной подвеской, а Эрнст Сихолм и я в одной из машин сопровождения. Наши машины остановились рядом, затормозив на светофоре на Ривер Руж. Мы видели, как Вы, сидя на заднем сиденье, смеялись над Диком Грантом [вице-президентом по продажам] и двигали ладонью вниз и по горизонтали. На протяжении двух миль до завода Cadillac никаких угловых колебаний кузова не наблюдалось.
После поездки на этих трех автомобилях в Монро и обратно комитет собрался на заводе Cadillac. Сихолм и я, стоящий позади него, ждали вердикта, от всей души надеясь, что Cadillac перейдет на новую подвеску на целый год раньше всех других подразделений.
Помню, что господин Хант [вице-президент по техническим вопросам] спросил Гранта, что он думает о новой автоматической коробке передач.
Как Вы помните, в марте 1933 года все банки в США закрылись, и любой, кто владел фермой, был благодарен уже за то, что ему по крайней мере есть чем питаться. В таких обстоятельствах реакция Дика Гранта была предсказуемой. Он отверг автоматическую коробку передач, поскольку она добавляла к цене автомобиля лишнюю сотню долларов, а покупатель автомобиля Buick вполне мог без нее обойтись. «Однако, – сказал он, – если бы я мог получить ту комфортность езды, какую вы нам продемонстрировали, за пятнадцать долларов, я бы постарался найти деньги».
Бауэр (Bower) [главный инженер Buick] уже подал свою заявку на новую переднюю подвеску. Инженеры предприятий Oldsmobile и Pontiac также, похоже, решили, что в следующем ноябре покажут ее на автомобильной выставке в Нью-Йорке.
В конце концов Билл Кнудсен [генеральный директор компании Chevrolet] недвусмысленно заявил, что Chevrolet также не собирается оставаться в стороне. Хант попытался убедить его, что в США нет достаточного количества бесцентровых круглошлифовальных станков, чтобы шлифовать проволоку для изготовления пружинных амортизаторов автомобилей Chevrolet. Однако Кнудсен оставался непреклонным и заявил, что станкостроение в течение многих лет находилось в плачевном состоянии, но в следующем году в отрасли ожидается оживление. И компания Chevrolet действительно представила в ноябре на автомобильном шоу в Нью-Йорке свою модель выпуска 1934 года с подвеской Дюбонне. Компания Pontiac унаследовала эту подвеску от Chevrolet, в то время как три других подразделения остановились на подвеске рычажного типа.
Это событие запомнилось мне, поскольку стало яркой демонстрацией возможностей американского предпринимательства. С учетом сложившихся на тот момент обстоятельств, миллионные расходы, на которые шла корпорация, требовали определенной смелости, что было для меня в новинку. Я помню высказывание Кеттеринга: «Мне кажется, мы не можем себе позволить не делать этого».
Таким образом, мы одновременно начали производить два различных типа независимой передней подвески. Однако после ряда дальнейших усовершенствований рычажной подвески стало очевидно, что она дешевле, проще в производстве и надежнее в эксплуатации. Вскоре ее стали устанавливать на все выпускаемые нами автомобили».
Краска Duco
Одна из наиболее ярких картин, которую можно наблюдать сегодня на улицах Америки в дневное время, – многообразие красок на автомобильных стоянках. Цветов великое множество, а отделка кажется практически не подверженной износу.
Все это контрастирует с внешним видом автомобилей в начале 1920-х годов, когда Ford, Dodge, Overland и General Motors красили все свои машины исключительно в черный цвет. В то время все внимание уделялось наружной отделке. Привычки, сложившиеся при изготовлении колясок и экипажей, были без особых изменений перенесены на автомобили. В первые двадцать пять лет существования автомобилей производители красили их в цвета, традиционные для конных экипажей, и так же покрывали лаком. Потребитель не мог понять, почему внешний вид экипажа сохранялся в отличном состоянии в течение долгого времени, в то время как краска с автомобиля вскоре начинала отслаиваться. Разумеется, дело в том, что экипаж и легковой автомобиль были весьма разными устройствами. Автомобиль эксплуатировался в гораздо более жестких условиях. На нем ездили в любую погоду, а тепло, выделяемое двигателем, вызывало температурные деформации деталей, что имело катастрофические последствия для их покрытия.
Мы мечтали создать такое покрытие, которые сохранялось бы независимо от погоды. Кроме того, нам стало ясно, что хорошая, быстросохнущая краска позволит коренным образом изменить наши графики производства работ и радикально снизить стоимость производства.
Процесс нанесения покрытия с использованием краски и лака в то время был долгим и обременительным – полный цикл иногда требовал от двух до четырех недель в зависимости от температуры и влажности окружающей среды. А это создавало серьезную проблему скопления товарных запасов.
Пытаясь справиться с некоторыми из этих проблем, многие автопроизводители на какое-то время отказались от использования краски и лака в пользу нанесения эмали с последующей сушкой в специальной камере (печи). К примеру, открытый автомобиль Dodge Brothers полностью покрывали эмалью, а не краской и лаком, после чего подвергали сушке в печи. Используемая при этом черная битумная эмаль Gilsonite была очень стойкой. Однако сушка в камере была временной мерой – очень быстро отыскали лучшее и более дешевое решение проблемы.
4 июля 1920 года (полагаю, это произошло скорее случайно, чем намеренно[3]) в одной из лабораторий компании du Pont был получен лак на основе нитроцеллюлозы, в конечном итоге получивший название Duco. Исследователи заметили, что можно создать лаковую основу, которая способна удерживать большее количество цветного пигмента в виде суспензии и давать более яркие цвета. Потребовалось три года экспериментов и разработок, чтобы устранить все недостатки нового продукта. Это был совместный проект научно-исследовательского подразделения General Motors под руководством Кеттеринга и лабораторий du Pont. В 1921 году General Motors создал комитет по краскам и эмалям (по иронии судьбы от использования и краски и эмали вскоре отказались), а в 1923 году с конвейера сошел первый автомобиль, кузов которого был покрыт новым лаком. Это был True Blue Oakland 1924 года.
Мы мечтали создать покрытие, которое сохранялось бы независимо от погоды.
Новый лакокрасочный продукт под торговым названием Duco в 1925 году стал доступен для всей автомобильной отрасли. Оставалось еще множество нерешенных проблем, и в лабораториях du Pont и General Motors продолжались исследования. Очень важной составной частью этих работ стало создание грунтовок, поскольку первая краска Duco сама по себе не отличалась высокими адгезионными свойствами и порой облезала с металла. Для производства краски Duco также требовались дефицитные натуральные смолы, качество которых варьировалось в довольно широких пределах. Со временем изобретение синтетических смол избавило нас от зависимости от натуральных продуктов нестабильного качества.
Цвет всегда использовался при нанесении покрытий на кузова автомобилей, как во времена краски и лака, так и во времена эмалей, однако цветное покрытие было дороже, а цветовая гамма ограниченной. Применение Duco позволило снизить стоимость цветного покрытия и существенно расширить спектр применяемых цветов. Возможность экономичной окраски автомобилей открыла современную эру буйства цветов и стильного внешнего облика. Кроме того, благодаря быстрой операции сушки удалось устранить главное «узкое место» при массовом производстве, а темпы изготовления автомобильных кузовов значительно возросли. Сегодня покраска кузова занимает не две-четыре недели, как в эпоху краски и лака, а всего лишь восемь часов.
Также следует учитывать экономию площадей: при объеме выпуска 1 тыс. автомобилей в день в производстве находится 18 тыс. автомобилей. Если для нанесения лакокрасочного покрытия требуется в среднем три недели, то они займут помещение площадью порядка 80 тыс. м2. Представьте себе, какая площадь потребовалась бы при современном объеме выпуска в 15 тыс. автомобилей в день или более!
Даже после того как в 1920-х годах лаки на основе нитроцеллюлозы были запущены в производство, продолжались исследования по их совершенствованию и снижению производственных расходов при их применении. В 1958 году General Motors начала использовать новые краски на основе акриловых смол. Нам пришлось потратить более восьми лет на исследование продукта в наших лабораториях в сотрудничестве с производителями смол. Акриловые краски стали еще более стойкими, чем лаки на основе нитроцеллюлозы, а цвета – еще более привлекательными.
Без участия General Motors не обходились и другие исследования, результатом которых зачастую становились важные для сей отрасли изобретения. Вентиляция картера, которая была внедрена в 1920-х годах, позволила избавиться от одной из главных причин отказов двигателя. «Внутренняя» вентиляция картера, позволившая уменьшить загрязнение воздуха, была создана General Motors в 1959 году и внедрена по всей отрасли в 1962 году. Изобретение гидравлических тормозов на все четыре колеса в значительной мере способствовало повышению безопасности и эффективности использования легкового автомобиля. Тормоза на всех четырех колесах не были эксклюзивной разработкой General Motors, но мы участвовали в их совершенствовании, помогали в организации массового производства и создали специальное подразделение для их изготовления для наших автомобилей. Корпорация также сыграла ведущую роль в конструировании тормозов и рулевого управления с гидроусилителем, системы кондиционирования воздуха и бесчисленного множества других усовершенствований автомобиля. Я рассказал лишь о нескольких наиболее важных результатах творческого и неустанного труда многих тысяч научных работников, инженеров и других специалистов, чей профессиональный интерес связан с разработкой эффективных и комфортабельных личных транспортных средств.