Современный легковой автомобиль
Официальная слава изобретателей автомобиля принадлежит двум немецким инженерам – Бенцу и Даймлеру. Бенц конструировал двухтактные газовые двигатели и являлся хозяином небольшого завода по их производству. Двигатели имели хороший спрос, и предприятие Бенца процветало. Мечтой Бенца было создание самодвижущегося экипажа с двигателем внутреннего сгорания. Собственный двигатель Бенца, как и четырехтактный двигатель Отто, для этого не годился, поскольку они имели малую скорость хода.
Конструкцию машины и двигателя к ней Бенц создавал и продумывал в течение двадцати лет. Наконец ему удалось собрать подходящий четырехтактный одноцилиндровый двигатель мощностью 0,75 лошадиных сил. В качестве горючего Бенц использовал бензин, зажигание горючей смеси осуществлялось при помощи электрической искры, а источником питания служила батарея, с которой ток подавался на индукционную катушку Румкорфа. Для получения горючей смеси Бенц создал один из первых в истории карбюраторов. Сделанный в «велосипедную эпоху», этот первый автомобиль очень напоминал трехколесный велосипед. Он имел трубчатую раму, тангентные колеса со спицами и цепную передачу и развивал скорость до 13 километров в час.
Одновременно с Бенцем приступил к выпуску автомобилей Даймлер. В 1883 году он изготовил свой первый бензиновый двигатель, который предполагал использовать для транспорта. Так же как и Бенц, Даймлер считал показательной чертой «транспортного» двигателя значительную частоту вращения его вала, обеспечиваемую интенсивным воспламенением горючей смеси. Уже первые двигатели Даймлера имели частоту вращения до 900 оборотов в минуту, то есть в 4-5 раз больше, чем у стационарных газовых двигателей Отто. Рассчитаны они были исключительно на жидкое топливо – бензин или керосин. Зажигание, как и в стационарных двигателях, происходило запальной трубкой. Благодаря большой частоте вращения «транспортные» двигатели оказались гораздо меньше и легче стационарных. Чтобы защитить двигатели от пыли и грязи, их окружали специальными кожухами. Предусматривались водяная рубашка охлаждения и пластинчатый радиатор. Для пуска двигателя служила рукоятка.
В 1885 году Даймлер поставил свой бензиновый двигатель на велосипед, а в 1886 году – на четырехколесный экипаж. В 1889 году эта машина экспонировалась на выставке в Париже, где французские фабриканты Панар, Левассор и Пежо купили лицензии на двигатель Даймлера. Эта сделка оказалась очень важной для истории автомобилестроения.
В 1890 году Даймлер, объединившись с богатым предпринимателем Дуттен-Хофнером, создал акционерную компанию «Даймлер Моторен». В 1891 году он выпустил первый четырехцилиндровый автомобильный двигатель. Дела фирмы сначала не ладились, но потом быстро пошли в гору. Новая эра в истории автомобиля началась в 1901 году, когда фирмой «Даймлер Моторен» был выпущен первый «Мерседес».
Первый «мерседес» имел уже все черты современного автомобиля: раму из прессованных стальных профилей, сотовый бронзовый радиатор, настоящую коробку передач и четырехцилиндровый двигатель мощностью 35 лошадиных сил, позволявший развивать скорость в 70 километров в час. Эта красивая, элегантная и надежная машина имела невероятный успех. Она выиграла множество гонок и породила массу подражаний. Можно сказать, что с появлением первого «Мерседеса» закончилось детство автомобиля и началось стремительное развитие автомобильной промышленности.
Сегодня существует великое множество разных легковых автомобилей, отличающихся по назначению, характеру работы, конструкции. И в то же время у них есть много общего.
По компоновке – так называют взаимное расположение в автомобиле важнейших агрегатов и узлов – различают четыре вида легковых моделей. При классической компоновке двигатель находится впереди, а ведущие колеса сзади. В случае заднемоторной компоновки двигатель объединен в блок с коробкой передач и главной передачей и размещен в хвостовой части автомобиля. И здесь задние колеса ведущие.
В последнее время легковые автомобили чаще выпускаются с передними ведущими колесами. Это облегчает передачу. Конструкция с передним приводом и дешевле в изготовлении. Кроме того, она делает автомобиль более безопасным. При задних ведущих колесах сила тяги (толкающее усилие) на поворотах направлена по касательной к траектории движения машины и стремится сместить заднюю часть автомобиля наружу относительно дуги поворота. А сила тяги передних ведущих колес постоянно направлена по ходу машины и «тащит» ее по выбранному пути.
Полноприводная компоновка предусматривает размещение двигателя в носовой части машины. Ведущими служат все четыре колеса. Эта компоновка применяется сейчас не только на внедорожных автомобилях повышенной проходимости, но и на обычных моделях.
Основой автомобиля является кузов, в нем размещаются пассажиры и поклажа. Большинство современных легковых автомобилей не имеет рамы, их агрегаты, включая подвеску колес, крепятся к кузову. В нужных местах он усилен и воспринимает все нагрузки. Потому кузов и называется несущим.
Наиболее распространены кузова типа «седан» – закрытые, с двумя или четырьмя дверями и отдельным багажником. В конце 1960-х годов вошел в обиход кузов типа «хэтчбек». Сложив задние сиденья, машину легко превратить в грузовой фургон. Универсал чаще всего бывает пятидверным, но он заметно вместительнее. Пятая дверь у универсала и хэтчбека находится в задней стенке кузова. Менее распространены автомобили с кузовами типа «кабриолет». По желанию водителя их матерчатый тент с дугами складывается или поднимается гидравлическим устройством. С кузовами типа «кабриолет» нередко выпускаются спортивные модели. До сих пор популярен лимузин. Позади спинок передних сидений обязательно есть подъемная стеклянная перегородка. Такие кузова можно видеть на представительских моделях.
В последние годы несущие кузова делают из стали, покрытой с обеих сторон слоем цинка. Такой кузов хорошо противостоит ржавлению и служит десять лет и более.
Именно в кузове находится все то, что определяет комфорт автомобиля: удобные сиденья с механизмами для их регулировки, стеклоподъемники и замки в дверях (часто с электроприводом), сложная система отопления и вентиляции, порой дополненная кондиционером, не говоря уже о различных аудиосистемах.
На панели приборов находятся разнообразные кнопки, тумблеры, переключатели, рычажки для управления системами автомобиля. В кузове монтируются хитроумные противоугонные устройства, открывающийся люк в крыше и т д.
Конструкция кузова должна обеспечить максимальную защиту пассажирам. Поэтому на стендах проводятся многократные испытания, чтобы минимизировать возможность при аварии получить травмы от ударов о детали интерьера, рулевую колонку, стойки кузова, вылететь в распахнувшиеся двери или разбитые окна. Ремни безопасности удерживают водителя и пассажиров на своих местах, а надувные подушки безопасности предохраняют голову, плечи, корпус от ударов. Замки в дверях сконструированы таким образом, что не дать им распахнуться при ударе. Встроенные же внутрь дверей брусья защищают при боковом ударе.
Двигатель – сердце автомобиля. Двигатели внутреннего сгорания, работающие на бензине, продолжают оставаться самыми распространенными. Бензин в них распыляется карбюратором или системой впрыска топлива. Затем он смешивается с воздухом в определенной пропорции и поступает в цилиндры двигателя. Там смесь мгновенно сгорает, а химическая энергия преобразуется в механическую.
В основном используются четырехтактные двигатели. Здесь полный рабочий цикл в цилиндре осуществляется за четыре хода (такта) поршня вверх-вниз. Сначала цилиндр заполняется горючей смесью через имеющиеся в нем клапаны, потом происходит сжатие смеси, затем она взрывается, и наконец, цилиндр освобождается от продуктов сгорания.
Обычно топливо распыляется в карбюраторе благодаря разрежению во впускных каналах цилиндров. Но теперь все чаще для образования рабочей смеси топливо распыляют под давлением.
Все чаще используется и система турбонаддува. Воздух в цилиндры нагнетает центробежный насос, на работу которого затрачивается часть мощности двигателя. В системе турбонаддува эти затраты исключены благодаря использованию энергии отработавших газов. Они вращают миниатюрную газовую турбину, от которой и работает насос.
Автомобильные двигатели нередко приспосабливают и для работы на природном газе, более экологически чистом топливе. Но пока бензин остается основным видом горючего.
Наряду с бензиновыми двигателями внутреннего сгорания широкое распространение получили дизельные двигатели. В них топливо, впрыскиваемое в цилиндры, воспламеняется воздухом, сильно нагревающимся до восьмисот градусов при сжатии. Дизельное топливо – соляровое масло, газойль – дешевле, чем бензин. Но сами машины дороже, поскольку дизель гораздо сложнее и более металлоемок. Затраты на него окупаются, когда ежегодный пробег очень велик. Вот почему дизели чаще используются на грузовиках и автобусах.
Топливный насос – немаловажная и довольно надежная часть автомобильной системы подачи топлива, которая включает в себя топливный бак, топливопроводы, фильтр тонкой очистки, сам бензонасос, карбюратор, воздушный фильтр, указатели и датчики уровня топлива.
Топливный насос служит для нагнетания прошедшего очистку бензина в карбюратор, откуда он попадает в блок цилиндров. Бензонасос диафрагменного типа приводится в действие эксцентриком вала привода масляного насоса.
В конце 1930-х годов появились коробки передач, которые переключаются автоматически, реагируя на изменение работы двигателя. В таких коробках передач нет привычных шестеренок. Их основа – гидротрансформатор, или гидромеханическая трансмиссия. Автомобильный мотор вращает насос, подающий масло на турбину, а она связана с колесами. Когда машина быстро едет по ровной дороге, масло течет под малым давлением с большой скоростью. Если автомобиль медленно взбирается в гору или преодолевает препятствие, то масло течет под большим давлением с малой скоростью.
Часто рулевое управление автомобиля снабжено гидравлическим, реже – электрическим усилителем руля. Вместе с тем при высокой скорости помощь водителю со стороны усилителя может оказаться вредной. Ведь водителю надо быстро, без задержек управлять машиной. Поэтому появились усилители руля прогрессивного действия – чем выше скорость, тем меньше их помощь.
В современном автомобиле уже почти нет узлов и систем, которые обходились бы без электроники. Так, специальное устройство – круиз-контроль – позволяет машине, словно авиалайнеру, работающему на автопилоте, двигаться с заданной скоростью без участия водителя. Датчик дождя, распознав его первые признаки, сам включает стеклоочиститель. Щетки работают тем быстрее, чем сильнее дождь.
Не удивишь теперь и бортовым компьютером. Цифры и слова на дисплее сообщат водителю, каков в данный момент расход топлива и на сколько километров хватит его запаса в бензобаке. Компьютер поможет выбрать кратчайший путь до пункта назначения. Тот же бортовой компьютер информирует о неполадках в машине, о приближении срока техобслуживания.
Электропитание автомобиля обеспечивает аккумулятор. По современным технологиям батарея аккумулятора вмонтирована в пластмассовый корпус. Крышка аккумулятора герметически приклеена к корпусу, что является гарантией против вытекания электролита во время эксплуатации. И корпус батареи, и общая сварная крышка с колпачками изготавливаются из высококачественного и кислотоустойчивого полипропилена.
Сухозаряженные аккумуляторы могут обладать высокой степенью сухой зарядки батареи благодаря специальной пропитке заряженных пластин. Это гарантирует использование аккумулятора уже через 30-40 минут после того, как залит электролит.
Каждая свинцовая пластина современной аккумуляторной батареи заключена в специальный «конверт». При эксплуатации автомобиля, а значит, и аккумулятора, в жестких условиях начинается разрушение заряженных пластин. При использовании «конверта» осадок не попадет на дно корпуса и не вызовет короткого замыкания и выхода аккумулятора из строя.
Применение новых технологий позволило повысить емкость и разрядный ток аккумулятора, что, в свою очередь, повышает качество эксплуатации автомобиля, особенно в наших климатических условиях. При этом размеры аккумуляторных батарей остались прежние.
Конечно, не бывает машины без тормозов. Принципиальная схема рабочей тормозной системы легкового автомобиля включает в себя две подсистемы – передние и задние тормозные механизмы и тормозной привод. В любом автомобиле имеются эти узлы, но конструктивно они могут быть решены по-разному, то есть с включением дополнительных агрегатов, улучшающих тормозную динамику автомобиля.
Они бывают барабанного и дискового типа. На большинстве автомобилей спереди стоят тормозные механизмы дискового типа, а сзади барабанного. На автомобилях представительского класса и спортивных дисковые тормоза ставятся спереди и сзади.
Тормозной механизм барабанного типа представляет собой пару тормозных колодок, смонтированных внутри тормозного барабана, вращающегося вместе со ступицей. Колодки закреплены на неподвижном тормозном щите, опираются на пальцы и стянуты пружиной. К поверхности колонок, обращенной к барабану, приклеены фрикционные накладки. При торможении колодки раздвигаются поршнями тормозного цилиндра (или тормозным кулаком, или рычагом, при механическом тормозном приводе, что теперь встречается только в стояночной тормозной системе) до соприкосновения с барабаном, причем крепление колодок обеспечивает их свободную самоустановку относительно барабана. После прекращения торможения колодки возвращаются в исходное положение пружиной.
Тормозной механизм дискового типа представляет собой чугунный тормозной диск, закрепленный на ступице колеса. С двух сторон этого диска помещены плоские тормозные колодки с фрикционными накладками, прижатие которых к диску осуществляется за счет тормозных цилиндров, одного или нескольких.
Конструкция дисковых тормозов может быть с плавающей скобой или неподвижной скобой. Цилиндры закреплены на суппорте, жестко связаны с основанием ступицы. При торможении поршни прижимают колодки к диску с двух сторон. После прекращения торможения поршни возвращаются в исходное положение за счет упругости уплотнительных колец из упругой резины, находящихся между поршнем и цилиндром. Накладки же разжимаются за счет микробиений диска. Зазор между диском и накладками поддерживается автоматически.
Так как в процессе торможения из-за трения выделяется большое количество тепла, то на многих машинах применяются вентилируемые тормозные диски, то есть конструктивно обеспечено улучшенное охлаждение дисков набегающим потоком воздуха.
Жесткие требования предъявляются к тормозной жидкости, так как она работает в тяжелых условиях. При торможении температура тормозных колодок может достигать 600 градусов, а тормозная жидкость в рабочих цилиндрах нагревается до 150 градусов. При этих температурах не должно происходить изменения химического состава жидкости и она ни в коем случае не должна закипеть, так как наличие газовых пузырьков приводит к отказу тормозов.
Таким образом, температура кипения тормозной жидкости, используемой в легковых автомобилях, должна быть не менее 205 градусов при эксплуатации в обычных условиях и не ниже 230 градусов при эксплуатации в условиях частого торможения (например, при езде в горах). За время эксплуатации температура кипения тормозной жидкости понижается из-за ее высокой гигроскопичности и именно поэтому ее нужно менять не реже одного раза в два года.
Гидравлический привод тормозов включает в себя педаль тормоза в салоне автомобиля, вакуумный усилитель. Вакуумный усилитель уменьшает усилие, прилагаемое к тормозной педали при торможении, и облегчает управление автомобилем. Усиливающий эффект вакуумного усилителя основан на использовании разрежения во впускном коллекторе работающего двигателя. Вся система заполнена тормозной жидкостью и герметична.
В целях безопасности гидравлический привод, как правило, делается двухконтурным, что позволяет сохранить работоспособность одной пары колес при выходе из строя узлов контура, обслуживающего вторую пару. Более безопасным считается диагональное разделение контуров, когда один контур обслуживает одно переднее и одно заднее колесо, расположенные по диагонали. Бывают и другие схемы распределения контуров.
На многих современных автомобилях система привода тормозов включает в себя антиблокировочную систему. Задачей этой системы является предотвращение блокировки колес при торможении, так как, когда колеса идут «юзом», тормозной путь значительно возрастает. Суть ее работы заключается в регулировании величины усилия, передаваемого тормозным приводом на тормозные механизмы. Специальные датчики фиксируют момент блокировки какого-либо колеса, передают информацию об этом в антиблокировочную систему, а она уменьшает усилие, передаваемое на него приводом. Колесо разблокируется, и эффективность торможения не уменьшается.
Колеса присоединяются к кузову или раме с помощью особого механизма – подвески. В последней обязательно есть упругий элемент. Обычно в качестве упругого элемента используется пружина. Другими альтернативами пружины являются пневмоподвеска или гидропневмоподвеска, которые работают на сжатом газе.
Все амортизаторы работают по такому принципу: внутри цилиндра амортизатора находится шток с поршнем, который «ходит» в масле. Масло при работе амортизатора перетекает через специальные отверстия поршня. Это и создает необходимое сопротивление движению штока. Также в амортизаторе должна быть емкость (компенсаторная камера) со сжимаемым газом (воздух или азот). Внутри амортизатора ходит поршень и вытесняет излишки жидкости, заставляя сжиматься газ.
Когда в качестве газа используется воздух, этот амортизатор называют гидравлическим. Недостаток воздуха в том, что он при постоянной тряске «вспенивает масло», а при более сильной тряске могут возникнуть пузырьки низкого давления, что значительно снижает эффективность работы амортизатора.
Вместо воздуха часто используется азот. Иногда его закачивают под низким давлением в несколько атмосфер. Такие амортизаторы называют газонаполненными низкого давления. Но азот под низким давлением не решил кардинально проблему «вспенивания масла» и кавитации (то есть образование пузырьков низкого давления). Выход был найден, когда французский инженер Де Карбон закачал в компенсаторную камеру азот под давлением более 20 атмосфер и отделил азот от масла прокладкой-поршнем, который не позволяет азоту и маслу контактировать друг с другом. Это сняло проблему вспенивания масла и кавитации. Азот под высоким давлением позволяет клапанам поршня срабатывать бесшумно и быстро, а также создает дополнительное усилие на штоке. Такие амортизаторы работают эффективно и точно.
Газонаполненные амортизаторы не рекомендуется использовать на маленьких машинах, так как дополнительное усиление на кузов, оказываемое такими амортизаторами, вредно для «крошек».
Последнее время появились новые разработки. Например, фирма «Кош» производит амортизаторы с регулировкой жесткости. Самый «навороченный» позволяет это делать непосредственно из салона. Такая «крутизна» ставится на автомобили «Феррари», «Мазерати» и «Порше». Фирма «Sachs» разработала систему автоматического регулирования дорожного просвета (система Nivomat). Смысл ее в том, что когда автомобиль нагружен, то он «проседает» и у него изменяется дорожный просвет (клиренс). Как только автомобиль нагружен, колебания колес при движении приводят в действие насос, встроенный в конструкцию амортизатора. Этот насос уже после нескольких сотен метров езды восстанавливает необходимый дорожный просвет. После разгрузки машины насос автоматически настраивается на старую величину дорожного просвета.
Колеса на автомобиле становятся все легче. При их изготовлении вместо стали начинают использовать алюминиевые сплавы, которые к тому же хорошо отводят тепло от тормозов.
Гидравлические шины на колесах автомобилей в большинстве случаев состоят из кольцевой резиновой камеры, заполняемой сжатым воздухом, и собственно шины, или покрышки. В последнее время часто применяются бескамерные шины. На стыке шины и колеса обеспечивается герметичность, что предотвращает утечку сжатого воздуха.
В условиях русской зимы необходимо использовать зимнюю резину. Она гораздо лучше обеспечивает сцепление с дорогой, уменьшается тормозной путь, автомобиль при большой скорости срывается в занос и т п. Есть два ее вида – простая с зимней покрышкой и ошипованная.
Зимняя резина имеет противоскользящий резиновый состав. Покрышка должна иметь широкие и глубокие канавки между блоками, которые и обеспечивают хорошее сцепление на снегу.
Хорошо расположенные шипы не повторяют следов других шипов, что обеспечивает лучшее сцепление на льду и укатанном снегу. Традиционно шипы делаются из алюминия с твердосплавным сердечником. Обычно сердечник выступает над поверхностью на 0,6-1,2 миллиметра. В новых разработках твердосплавный шип помещен во втулке из высокопрочного пластика. Это позволяет шипам более прочно сидеть в гнездах.
Производители автомашин постоянно совершенствуют свою продукцию. Все заводы имеют свои зимние полигоны или арендуют их. Обычно эти полигоны располагаются на Севере или в Альпах. Именно там и проводятся испытания новинок, именно там и ищут компромисс между различными характеристиками покрышек. Ведь обычно если улучшается одно из свойств, то это ведет к ухудшению других. Поэтому предприятию очень важно найти «золотую середину».
Сегодня все больше к автомобилю требований по экологии. Сохранить чистоту воздуха помогают каталитические нейтрализаторы, разлагающие вредные примеси в выхлопных газах на безопасные вещества. Для ускорения реакции разложения на внутреннюю поверхность нейтрализатора наносится тончайший слой платины или родия, которые служат катализаторами.
