АВТОМОБИЛЬ ЛЕГКОВОЙ - самодвижущееся четырехколесное транспортное средство с двигателем, предназначенное для перевозок небольших групп людей по автодорогам. Легковой автомобиль, обычно вмещающий от одного до шести пассажиров, именно этим, в первую очередь, отличается от других автотранспортных средств с двигателем, например автобусов, грузовых автомобилей и тракторов. Легковой автомобиль (далее называемый просто автомобилем) обычно имеет бензиновый двигатель внутреннего сгорания, опирается на четыре колеса с пневматическими шинами, снабжен дверями и отличается разнообразными типами кузова (седан, кабриолет, фаэтон, универсал и спортивное купе). Историю развития легкового автомобиля иллюстрирует ряд фотографий старых моделей.
"ДАЙМЛЕР-БЕНЦ" (1886)
"ФОРД" (1899)
ЛОКОМОБИЛЬ (1907)
"МАКСВЕЛЛ", городская модель 25 (1917)
"РОЛЛС-РОЙС" (1920)
"ПАККАРД" (1924)
"ФОРД", модель А (1928)
"ИСПАНО-СЮИЗА" (1930)
"КАДИЛЛАК V-16" (1931)
"КРАЙСЛЕР" (1931)
"ОБЕРН-СУПЕР" (1935)
"КОРД" спортивный (1937)
"ДОДЖ" (1939)
"ЛИНКОЛЬН-КОНТИНЕНТАЛЬ" (1941)
ДЖИП времен Второй мировой войны
"НЭШ-РАМБЛЕР" (1950)
"ФОРД-ТАНДЕРБЕРД", модель Р5 (1955)
"ПЛИМУТ" (1958)
УЗЛЫ И СИСТЕМЫ АВТОМОБИЛЯ
Автомобиль состоит из нескольких взаимосвязанных узлов и систем.
К ним относятся двигатель, топливная система, система охлаждения, электрооборудование, трансмиссия, рама и кузов, система подвески, система торможения, рулевая передача, а также колеса и шины. Каждый узел или система вносит свой вклад в эксплуатационные характеристики автомобиля. По этой причине выбор конструктивных и эксплуатационных характеристик того или иного узла делается на основе компромиссного решения. Если, например, требуется комфортная прогулочная езда, то следует использовать менее жесткие пружины в системе подвески, что приведет, однако, к некоторому ухудшению управляемости автомобиля, особенно на извилистых дорогах.
АВТОМОБИЛЬ состоит из многих узлов и систем, как показано на этой конструктивной схеме типичного переднеприводного автомобиля особо малого класса. 1 - рулевое колесо; 2 - приборная панель; 3 - рычаг переключения передач; 4 - центральный пульт управления; 5 - рулевой вал; 6 - универсальный шарнир равных угловых скоростей; 7 - двигатель; 8 - передний бампер; 9 - стойка Макферсона; 10 - скоба дискового тормоза; 11 - диск переднего дискового тормоза; 12 - ведущая полуось переднего привода; 13 - реечное управление; 14 - выпускной трубопровод; 15 - обшивка кузова; 16 - амортизатор; 17 - колпак колеса; 18 - барабан заднего тормоза; 19 - топливный бак; 20 - заливная горловина топливного бака; 21 - запасное колесо; 22 - выхлопная труба; 23 - задний бампер; 24 - задний габаритный фонарь; 25 - крышка багажника; 26 - дверь люка; 27 - обогреватель заднего стекла.
Двигатель. Двигатель обеспечивает автомобилю движущую силу. Большое разнообразие выпускаемых двигателей отражает многообразие условий эксплуатации, а также типов и размеров автомобилей, на которых они устанавливаются. Двигатель должен быть относительно легким, компактным и пригодным для массового производства. Он должен обладать способностью перемещать автомобиль медленно и быстро на короткие и длинные расстояния. Он должен быть достаточно мощным, чтобы автомобиль мог преодолевать крутые подъемы, обеспечивать высокоскоростное движение по гладким и плоским автострадам, а также достаточную маневренность на городских улицах в условиях частых поворотов, торможений, остановок и троганий с места. Кроме того, автомобильный двигатель должен легко запускаться при любой погоде, работать плавно и тихо, быть достаточно экономичным и функционировать без поломок в течение нескольких лет или, по меньшей мере, на протяжении 100 000 км пробега. В двигателе создается однородная горючая смесь топлива и воздуха; затем она сжимается, воспламеняется, сгорает и, расширяясь, вызывает перемещение поршня в цилиндре. Поступательное движение поршня преобразуется во вращательное движение коленчатого вала, который - посредством передачи движения на колеса - перемещает автомобиль. В большинстве автомобилей используется четырехтактный двигатель внутреннего сгорания. Рабочий цикл двигателя этого типа осуществляется за четыре хода (такта) поршня. На первом такте (такт впуска) поршень, отступая, освобождает пространство цилиндра, и топливовоздушная смесь из карбюратора, где смешиваются топливо и воздух, поступает в цилиндр. На втором такте (такт сжатия) поршень движется в обратном направлении, и смесь сжимается до 1/7-1/10 объема цилиндра; в результате давление в цилиндре повышается до АВТОМОБИЛЬ ЛЕГКОВОЙ1,35 МПа. В конце такта сжатия свеча зажигания воспламеняет топливовоздушную смесь, и давление в цилиндре повышается до 3,4-4,8 МПа. Процесс горения совершается за долю секунды, и на следующем такте (рабочий такт) горячий газ высокого давления, расширяясь, толкает поршень в конечное положение первого такта. Сила давления газа посредством шатуна преобразуется в механический момент, вращающий коленчатый вал. На четвертом такте (такт выпуска) поршень движется, как и на втором такте, в обратном направлении и выталкивает сгоревшие газы из цилиндра.
КОМПОНЕНТЫ ЭЛЕКТРОННОГО УПРАВЛЕНИЯ современного автомобильного двигателя. 1 - датчик полного давления в коллекторе; 2 - датчик скорости автомобиля; 3 - топливный насос, размещенный внутри топливного бака; 4 - каталитический нейтрализатор отработавших газов; 5 - датчик кислорода; 6 - датчик положения дроссельной заслонки; 7 - датчик температуры охладителя; 8 - инжекторы с дроссельными заслонками; 9 - датчик числа оборотов двигателя; 10 - блок электронного управления (компьютер).
Дизельный двигатель. В четырехтактном двигателе, изобретенном Р.Дизелем в начале 1900-х годов, топливо впрыскивалось непосредственно в цилиндр и воспламенялось теплом сжатия. Это позволило достичь намного больших степени сжатия и давления продуктов сгорания, чем у обычного ДВС с воспламенением искрой, а также уменьшить расход топлива на 20-30%, хотя и ценой некоторого увеличения массы конструкции и снижения скорости. В конце 1970-х годов дизельные двигатели стали устанавливать и на легковых автомобилях, хотя прежде они использовались главным образом в грузовиках, автобусах и тракторах.
Схема расположения цилиндров. Число и расположение цилиндров в двигателе влияют на расход топлива, а также на размер, стоимость и плавность работы двигателя. Автомобили повышенной комфортности когда-то имели даже 16 цилиндров. В 1950-х и 1960-х годах схема V-8 двигателя была признана наилучшим компромиссом между плавностью его работы, размером и рабочими характеристиками. Однако с увеличением числа цилиндров возрастают и потери на трение в двигателе. Поскольку в 1970-х годах повысились требования к топливной экономичности, возникла тенденция в пользу четырех- и шестицилиндровой схем. С начала 1980-х годов на большинстве автомобилей используются либо однорядные четырехцилиндровые двигатели, либо шестицилиндровые двигатели V-образной схемы. На некоторых автомобилях малого и особо малого классов применяются двух- или трехцилиндровые двигатели с приемлемой плавностью работы. В настоящее время цилиндры располагаются либо по однорядной, либо по V-схеме, в зависимости от того, какая из них лучше подходит для выбранной конструкции автомобиля. Проблема вибраций частично решается надлежащей установкой двигателя.
Размер и мощность. Рабочий объем цилиндров двигателя - главная рабочая характеристика автомобиля. Рабочий объем двигателя равен сумме объемов, которые проходят поршни в цилиндрах при движении между верхней и нижней точками их рабочего хода; обычно он выражается в литрах. Когда-то на больших американских автомобилях устанавливались восьмицилиндровые двигатели (схемы V-8) с рабочим объемом цилиндров от 6 до 7 л; теперь же большинство четырехцилиндровых двигателей имеет рабочий объем от 1,5 до 2,5 л, а шестицилиндровых - от 2,5 до 4,5 л. Рабочий объем двигателей схемы V-8 в настоящее время редко превышает 5 л. Один из способов достижения компромисса между эффективностью и экономичностью - повышение мощности без ущерба экономичности или увеличения выброса загрязнений. В этом направлении сделано несколько важных изобретений. Так, предложено использовать: 1) турбокомпрессор, приводимый в действие отработанными газами, для нагнетания воздуха в цилиндры; 2) скоростной напор воздуха для улучшения нагнетания; 3) четыре клапана в цилиндре вместо двух для улучшения вентиляции. См. также ДВИГАТЕЛЬ ТЕПЛОВОЙ.
Топливная система. Одно из главных усовершенствований, введенных в последнее время, касается системы подачи топлива в двигатель. Обычно подача топлива связана с использованием карбюратора - устройства для смешивания топлива и воздуха в таком соотношении (обычно 1 к 12-15), чтобы сгорание было достаточно полным. При отходе поршня на такте впуска воздух втягивается в карбюратор, а топливо впрыскивается в воздушный поток. Топливовоздушная смесь затем подается в цилиндры через подогреваемые каналы коллектора, что способствует испарению жидкого топлива. Этот способ приготовления рабочей смеси прост и недорог, однако не позволяет точно установить такой состав смеси, который обеспечивает соблюдение требований к выбросу загрязнений и топливной экономичности. В конце 1970-х годов топливная система с электронным управлением по обратной связи стала вытеснять традиционный всасывающий карбюратор. В этой системе датчик кислорода в выхлопной трубе определяет полноту сгорания, а электронная схема устанавливает оптимальное соотношение топливо/воздух путем перемещения иглы в жиклере. В топливной системе с обратной связью состав топливовоздушной смеси контролируется и регулируется несколько раз в секунду. В середине 1980-х годов было предложено впрыскивать топливо отдельно в каждый цилиндр, где оно должно смешиваться с втягиваемым туда воздухом. Это позволило с высокой точностью контролировать состав топливо-воздушной смеси, так что стало возможным выбирать оптимальный состав смеси отдельно для каждого цилиндра, в отличие от способа централизованного приготовления смеси в карбюраторе. В такой системе индивидуального впрыска топлива имеется несколько датчиков, измеряющих рабочие параметры двигателя - частоту вращения коленчатого вала, температуру и нагрузку, - а подача топлива точно регулируется компьютером, обеспечивающим оптимальное сгорание при любых условиях. Подача порций топлива в отдельные цилиндры регулируется по времени и расходу электроуправляемыми иглами в жиклерах.
Система охлаждения. Автомобильный мотор в принципе является тепловым двигателем, в котором тепловая энергия сгорания топлива преобразуется в кинетическую энергию движения поршней. При воспламенении топливовоздушной смеси температура газа в цилиндре моментально поднимается до 1650е2200° С. Температура отработавших газов на выходе из цилиндра превышает 800° С. Следовательно, требуется охлаждение двигателя, чтобы предохранить его от расплавления или прогара. Есть два практических способа охлаждения: воздухом и жидкостью. Для воздушного охлаждения цилиндры двигателя или головки цилиндров снабжаются многочисленными тонкими ребрами. Вентилятор или воздушный нагнетатель интенсивно обдувает ребра воздухом. Сочетание большой площади поверхности ребер с мощным потоком воздуха обеспечивает эффективный теплоотвод от цилиндра. При жидкостном регенеративном охлаждении цилиндр снабжается рубашкой, по которой охлаждающая жидкость прокачивается насосом. Тепло через стенки цилиндра передается жидкости. Затем жидкость прокачивается в радиатор, где ее тепло отводится потоком атмосферного воздуха. Радиатор состоит из множества тонких трубок, по которым охлаждающая жидкость перетекает из верхнего резервуара в нижний. Между трубками проложены многочисленные тонкие полоски металла с большой общей площадью поверхности, чтобы повысить эффективность теплопередачи. Наиболее распространенная охлаждающая жидкость для автомобильного двигателя - вода, обладающая значительной удельной теплоемкостью. Однако при 0° С вода замерзает, и поэтому зимой к ней надо добавлять антифриз. В большинстве случаев для этого используется этиленгликоль; его смесь с равным количеством воды замерзает при -34° С. Коммерческие охладители на основе этиленгликоля содержат также ингибиторы для уменьшения коррозии.
Электрооборудование. Современный автомобиль нуждается в мощном электрооборудовании для приведения в действие таких вспомогательных устройств, как радиоприемник, оконные стекла и сиденья с сервоприводом, открывающийся верх, стеклоочистители и вентиляторы системы обогрева. Однако важнейшая функция электрооборудования - привести в действие стартер, который раскручивает вал двигателя, и создать искру, воспламеняющую топливовоздушную смесь в цилиндрах. В практичных электросистемах автомобиля имеются аккумуляторная батарея для создания начального тока и вращаемый двигателем генератор того или иного типа для зарядки аккумулятора. На большинстве автомобилей устанавливаются 12-вольтовая батарея и генератор переменного тока. Переменный ток преобразуется в постоянный для зарядки батареи. Генератор переменного тока вращается с большей частотой, чем генератор постоянного тока, и поэтому создает больший ток при низкой скорости езды.
ЭЛЕКТРОННЫЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ подводом воздуха, подачей топлива и зажиганием. Автомобиль движется за счет сгорания смеси воздуха и топлива. В левой части рисунка показаны устройства, через которые воздушный и топливный потоки проходят к дросселю, где они смешиваются. Приготовленная смесь затем втягивается во впускную часть коллектора, а оттуда поступает в цилиндры (не показаны). В линиях подачи воздуха и топлива (правая часть рисунка) установлены электронные датчики и измерительные приборы, которые передают информацию в компьютер. Компьютер использует эту информацию для управления регулирующими устройствами. Регулирование воздушного потока, подачи топлива и зажигания направлено на то, чтобы сгорание топливовоздушной смеси, поступающей в цилиндры, обеспечивало максимальную при конкретных условиях работы мощность двигателя. 1 - компьютер, управляющий сгоранием; 2 - воздушный фильтр; 3 - воздушный поток; 4 - дозирующий топливный насос; 5 - опорный элемент; 6 - топливный расходомер; 7 - дроссельный блок; 8 - уплотнительная прокладка; 9 - впускной трубопровод; 10 - смесь нагретого и холодного воздуха; 11 - датчик воздушного потока; 12 - электронный блок измерения расхода воздуха; 13 - вакуумный усилитель; 14 - регулятор расхода охладителя системы рециркуляции отработавших газов; 15 - клапан системы рециркуляции отработавших газов; 16 - потенциометрический датчик положения дроссельной заслонки; 17 - устройство автоматической регулировки числа оборотов холостого хода; 18 - дроссельный блок; 19 - переключатель давления топлива; 20 - топливные тензодатчики; 21 - малорасходный и основной регуляторы расхода топлива; 22 - топливный расходомер; 23 - датчик температуры топлива; 24 - дозирующий топливный насос; 25 - блок питания дозирующего топливного насоса; 26 - управляющее реле подкачивающего топливного насоса; 27 - нагрузочное электросопротивление подкачивающего топливного насоса; 28 - обратный клапан; 29 - трубопровод подачи топлива; 30 - дроссель возврата топлива; 31 - топливный фильтр; 32 - трубопровод возврата топлива; 33 - узел подкачивающего топливного насоса; 34 - обратный клапан возврата топлива; 35 - указатель уровня топлива; 36 - электронный блок управления подачей топлива и опережением зажигания (компьютер); 37 - нагрузочное электросопротивление в цепях системы зажигания и системы, регулирующей число оборотов холостого хода двигателя; 38 - распределитель зажигания; 39 - электромагнитный двухпозиционный клапан воздушной продувки системы улавливания паров топлива; 40 - датчик кислорода в отработавших газах; 41 - датчик температуры охладителя в электронном топливном инжекторе; 42 - реле времени, управляющее воздушной продувкой системы улавливания паров топлива; 43 - блок автоматического выключения.
Аккумуляторная батарея. На автомобилях обычно устанавливаются свинцово-кислотные аккумуляторы. В них активные пластины из соединений свинца погружены в электролит - водный раствор серной кислоты. Ток вырабатывается в ходе химической реакции между свинцом и серной кислотой. Когда аккумулятор заряжается, эта реакция протекает в обратном направлении. Аккумулятор защищен от перезаряжания транзисторной схемой, которая отключает генератор по достижении полного заряда. В такой схеме нет движущихся частей, в отличие от регуляторов напряжения старого типа (с размыкающимися контактами), и поэтому в ней ничего не изнашивается. Полупроводниковые приборы используются также для выпрямления переменного тока. Современные автомобильные генераторы переменного тока обычно работают безотказно в течение всего срока службы автомобиля.
См. также
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ;
Система зажигания. Искра зажигается электронной схемой с использованием магнито-импульсного устройства, частота вращения которого находится в определенном соотношении с частотой вращения коленчатого вала двигателя (это устройство может располагаться даже на маховике двигателя). Магнитный сигнал, генерируемый устройством, преобразуется в электрический, который усиливается транзисторной схемой для установки тока первичной цепи катушки зажигания. На некоторых двигателях устанавливаются двухвыводные катушки зажигания для каждой пары цилиндров, а на других - для каждого цилиндра отдельная катушка, совмещенная со свечой зажигания. Если используется несколько катушек зажигания, то отпадает необходимость в прерывателе-распределителе с его ротором, распределяющим напряжение по свечам, и пучком соединительных проводов. Вся система зажигания умещается в маленькой коробочке без движущихся частей. К каждому цилиндру идет один провод. Существует много способов зажигания. На некоторых автомобилях все еще используются распределители зажигания совместно с магнитным зажиганием искры и электронным управлением моментом ее подачи. Однако общая тенденция современного автомобильного моторостроения состоит в том, чтобы обходиться без механических компонентов с их движущимися и трущимися частями, которые со временем изнашиваются и выходят из строя. Установка момента подачи искры - важный фактор, влияющий на экономичность и выброс вредных веществ. Когда-то этот параметр определялся исключительно частотой вращения коленчатого вала двигателя и величиной нагрузки. Теперь же для определения его оптимального значения используется большее количество данных. Они поступают от датчиков температуры двигателя, частоты вращения его коленчатого вала, положения дроссельной заслонки, вакуума, содержания кислорода в отработавших газах, включенной передачи (первая, вторая и т.д.) и других параметров. Момент подачи искры затем точно определяется компьютером двигателя. Компьютер может мгновенно отложить подачу искры, если двигатель детонирует. (В некоторых двигателях датчики стука (детонационного горения) устанавливаются на каждом цилиндре.) Электронные устройства позволяют создавать более горячую искру с максимально точной установкой момента ее подачи, причем эта система почти не требует внимания в течение срока службы автомобиля.
Контроль выбросов вредных веществ. Двигатели, эффективные в отношении снижения выбросов, часто имеют повышенный расход топлива. Необходимость совмещения высокой эффективности и экономичности послужила толчком для разработки таких устройств, как электронный впрыск топлива, магнитное зажигание и компьютерное управление двигателем. Как правило, все, что повышает КПД двигателя, снижает выбросы вредных веществ. Однако есть вредные вещества одного типа - оксиды азота NOx, - которые образуются при высоких температурах горения. Наиболее практичный способ снизить их выброс - отправить часть отработавших газов обратно в подготавливаемую топливную смесь и таким образом частично затормозить горение. Но поскольку при этом страдает топливная экономичность, на большинстве автомобилей соединения NOx частично удаляются каталитическим нейтрализатором - похожим на глушитель устройством под днищем автомобиля, в котором отработавшие газы проходят сквозь слой химически активных веществ (катализатор), превращающих вредные соединения в углекислый газ, водяной пар и азот. Катализатор не расходуется в ходе процесса, так что нейтрализатор сохраняется в течение срока службы автомобиля.
Трансмиссия. Трансмиссия автомобиля состоит из сцепления, коробки передач, карданного вала и шестерен полуосей. Эти узлы необходимы, поскольку поршневой двигатель внутреннего сгорания сам по себе не способен привести автомобиль в движение. При низкой частоте оборотов поршневой двигатель не развивает полезного момента, т.е. поворачивающего усилия, и глохнет. Кроме того, полезные мощность и момент развиваются им только в ограниченном диапазоне скоростей. Действительно, если бы поршневой двигатель был напрямую связан с колесами автомобиля, он бы не смог развить момент, достаточный для приведения автомобиля в движение или даже собственного запуска. Силовые установки типа паровых машин, газовых турбин и электродвигателей развивают максимальный момент именно на режиме срыва и имеют широкий рабочий диапазон скоростей. Поэтому для проворачивания поршневого ДВС с целью его запуска используется электродвигатель. Вдобавок необходим механизм сцепления, разъединяющий двигатель и колеса, с тем чтобы двигатель мог продолжать работать, когда автомобиль стоит на месте. Ввиду того что двигатель эффективно развивает мощность только в ограниченном диапазоне скоростей, для изменения отношения частот вращения коленчатого вала двигателя и колес требуется коробка передач. Благодаря коробке передач двигатель может вращаться быстрее колес, чтобы развить больший крутящий момент при трогании автомобиля с места или при движении на подъем. Она также позволяет уравнять частоты вращения вала двигателя и колес при движении по автострадам с целью более экономного расхода топлива.
ТРАНСМИССИЯ. На большинстве современных переднеприводных автомобилей узел трансоси выполнен в одном блоке с двигателем (слева). Крутящий момент передается с трансоси на оба передних колеса посредством валов, шестерен и шарниров (справа). 1 - полуось; 2 - двигатель; 3 - шарниры равных угловых скоростей; 4 - трансось; 5 - маховик; 6 - входной вал; 7 - шестерни.
Передаточное число. Коробка передач автомобиля соединяет коленчатый вал двигателя с карданным валом, от которого крутящий момент передается на колеса; передаточным числом можно считать отношение частот вращения коленчатого и карданного валов. Типовая коробка передач имеет три передачи для движения вперед и одну для движения назад. Передаточное число первой передачи обычно равно 3, второй - 1,5 и третьей - 1 (прямая передача). На первой передаче частота вращения коленчатого вала в три раза выше частоты вращения карданного вала. Первую передачу иногда называют низшей, хотя передаточное число у нее наибольшее. Это название объясняется тем, что, хотя на низшей передаче повышение частоты вращения двигателя позволяет увеличить крутящий момент до необходимой величины, вследствие передачи вращения через шестерни разного диаметра (от малой к большой) скорость движения автомобиля при высокой частоте вращения двигателя относительно низка. При движении на третьей, или высшей, передаче справедливо обратное: поскольку частоты вращения коленчатого и карданного валов одинаковы, автомобиль достигает максимальной скорости движения. Крутящий момент от карданного вала передается на колеса через некоторую "конечную" (главную) передачу. С ней связано еще одно передаточное число - т.н. передаточное число главной передачи; назначение этой передачи - снизить частоту вращения колес относительно частоты вращения карданного вала. Это передаточное число изменяется от 2,5 для большинства легковых автомобилей до 4,5 для автомобилей высокой проходимости с максимальным ускорением. Таким образом, карданный вал вращается в 2,5-4,5 раза быстрее полуосей. Большее передаточное число обеспечивает больший крутящий момент, позволяющий достичь высокого ускорения, а меньшее - более высокие скорость автомобиля и топливную экономичность.
Трансмиссия, управляемая водителем. На многих автомобилях все еще используются фрикционное сцепление с педальным управлением и коробка передач со скользящими шестернями. Сцепление, которое связано с коробкой передач, имеет ведомый стальной диск с фрикционными накладками из асбестовой пластмассы на каждой стороне. Когда водитель включает сцепление (отпускает педаль сцепления), ведомый диск зажимается между маховиком двигателя и нажимным стальным диском. Плавность подключения ведущего вала коробки передач к коленчатому валу двигателя обеспечивается первоначальным проскальзыванием дисков до момента их полного прижатия друг к другу. Когда водитель выключает сцепление (отжимает педаль сцепления вниз), нажимной диск отводится назад, а ведомый диск больше не прижимается к маховику и п