Содержание 

Введение

    Легковые  автомобили – это не только средство перевозки пассажиров, но и основа любимого вида спорта, путешествий и поездок. Иногда они являются и домом на колесах. Поэтому совершенно не удивительно, что вокруг автомобиля возник целый мир. Автомобилю посвящено множество произведений искусства. Он сам по себе является центром множество научных изысканий и современного производства.

    Первые  известные чертежи автомобиля (с  пружинным приводом) принадлежат  Леонардо да Винчи, однако ни действующего экземпляра, ни сведений о его существовании  до наших дней не дошло. В 2004 году эксперты Музея истории науки из Флоренции смогли восстановить по чертежам этот автомобиль, доказав тем самым правильность идеи Леонардо. В эпоху Возрождения и позже в ряде европейских стран «самодвижущиеся» тележки и экипажи с пружинным двигателем строились в единичных количествах для участия в маскарадах и парадах [8]. В 1769 году французский изобретатель Кюньо испытал первый образец машины с паровым двигателем[2], известный как «малая телега Кюньо», а в 1770 году - «большую телегу Кюньо». Сам изобретатель назвал её «Огненная телега» - она предназначалась для буксировки артиллерийских орудий.

    Современный человек совершенно не способен обойтись без стремительного и волнующего движения, ощущения собственной свободы  и независимости, которые дарит  ему автомобиль. Европеец по происхождению, автомобиль за сто лет распространился по всему свету. Сотни и тысячи машин различных конструкций было изготовлено за это время. Они стали неузнаваемыми по внешнему виду. И, кроме того, очень существенно изменились устройство и работа основных механизмов и агрегатов. За привлекательной внешностью, комфортом в салоне, динамичностью и плавностью хода современного легкового автомобиля скрываются результаты кропотливой и многолетней работы ее создателей. Прежде всего, это относится к конструкциям машины, которые должны отвечать необходимым требованиям безопасности, экологии и надежности. Для повышения безопасности, пришлось внести значительные изменения в конструкцию кузова и его оборудования. Насущная необходимость снижения вредных выбросов и уменьшение расхода топлива заставили повысить КПД двигателей: применить микропроцессорные системы управления и сложные устройства впуска и выпуска. Появились двигатели с инжекторными системами впрыска топлива, четырьмя клапанами в цилиндре, переменными фазами газораспределения, катализаторами.

      В данной работе мы коснёмся  общих вопросов касательно устройства  легкового автомобиля.

    Автомобиль: кузов, диски, шины колёса

    Ку́зов  — часть автомобиля или другого  транспортного средства, предназначенная для размещения пассажиров и груза. Кузов крепится к раме автомобиля. Бывают также безрамные кузовы, выполняющие одновременно функцию рамы — к ним крепятся все остальные узлы и агрегаты автомобиля.

    Первым  стали систематически и целенаправленно  заниматься художественным конструированием автомобиля американцы. В 1926 г. концерн General Motors создал группу по художественному конструированию. А уже в 1927 г. была выпущена модель La Salle, спроектированная художниками-конструкторами. Её успех, как отметили современники, дал профессии дизайнера отличную рекламу.

    Форма автомобиля зависит от компоновки и  конструкции, от применяемых материалов и технологии изготовления кузова. В свою очередь, возникновение новой  формы заставляет искать новые технологические  приёмы и новые материалы. На развитие формы автомобиля воздействуют социально-экономические факторы и, в силу особого качества автомобиля — его "престижности", мода.

    Автомобиль  быстро развивался. Двигатель занял  довольно неудобное для размещения пассажиров место — между большими кожухами передних управляемых колёс; радиатор разместился спереди — для охлаждения его встречным потоком воздуха; ведущие колёса — задние, что выгодно для улучшения тяговых качеств автомобиля. С конструктивной точки зрения такая компоновочная схема оказалась вполне рациональной; совершенствуясь, она сохранилась до наших дней и получила название "классическая компоновка". Двигатель, трансмиссия, ходовая часть крепились к раме. Всё в целом называлось "шасси". Шасси могло двигаться и существовать без кузова. Кузов устанавливался на шасси как отдельный и независимый для выполнения агрегат. С кузовом получался уже автомобиль, предназначенный для выполнения определённой функции.

    Рис 1. Эволюция формы кузова легкового автомобиля 

    Колесо - это величайшее изобретение человечество. Именно колесо, получая крутящий момент от двигателя, обеспечивает передвижение автомобиля. Колёса также принимают удары неровной поверхности, стараясь смягчить его. Именно от автомобильных колёс зависят такие моменты, как разгон и торможение, устойчивость на дороге, управляемость, плавность хода машины и безопасность [7].

    Автомобильное колесо состоит из следующих компонентов:

    - диск и обод  колеса,

    - шина.

    К колёсному диску приварен обод. Диск прикрепляется к колёсной ступице при помощи специальных болтов и гаек. В принципе, диск и обод принято называть одним словом - «диск», ведь на легковых автомобилях обод не является съёмным, оно составляет одно целое с диском. А на грузовиках обод съёмный, но разговор не о них.  Шина же может быть либо камерной, либо бескамерной. Внутри камерной шины находится камера из резины, наполняемая воздухом с помощью насоса. Одну шину без камеры принято называть покрышкой. Сама покрышка состоит из каркаса и протектора [7].

    Главная часть покрышки - это, само собой, каркас, являющийся силовой основой. Выполняется он из специальной ткани, сложенной в несколько слоёв. Называется эта ткань «корд». Корд служит для того, чтобы принимать давление воздуха на шину изнутри и нагрузки от дорожных неровностей снаружи. Корд изготавливают из таких материалов как хлопок, капрон, вискоза и др. Протектором называют толстый слой резины, на который нанесён определённый рисунок. Протектор располагается на наружной поверхности покрышки и во время движения непосредственно соприкасается с дорожным покрытием.

    Существуют  разнообразные рисунки протектора, которые зависят от условий и  целей эксплуатации транспортного  средства. Не секрет, что каждый человек  меняет обувь, когда меняются времена  года. Скажем, по сухому асфальту можно передвигаться на высоких каблуках, а вот по мокрому снегу или люду ходить на шпильках получится вряд ли. Можно сказать, что шины - это та же обувь, только для автомобиля и поэтому, рисунок протектора должен быть подобран с умом в соответствии с условиями эксплуатации. Правильно подобранные покрышки помогут повысить безопасность езды [7].

    Бескамерная шина отличается тем, что в ней  не предусмотрено помещение внутрь резиновой камеры. Полость, которая  образуется между ободом колеса и  покрышкой должна быть герметичной и именно её следует заполнять воздухом. Не на всякий диск станет возможно установить такую покрышку, поскольку нужны специальные уплотнители, для того, чтобы воздух не выходил. Если у водителя бескамерные шины, то при выборе дисков стоит быть внимательным. А под обычные шины с резиновой камерой подойдут абсолютно любые диски. Внутри бескамерной шины есть специальный герметизирующий слой, который затягивает прокол изнутри, так что такие шины могут запросто несколько скромных проколов выдержать.  В любом случае, водитель должен сам определиться с тем, во что он обует свою машинку. Поэтому можно пожелать только правильного выбора и долгого срока службы покупки.

    Есть  шины с диагональным расположением  нитей корда, а есть с радиальным. Это зависит от конструкции каркаса. В шинах с диагональным расположением нитей, последние перекрещиваются с углом наклона от 35 градусов до 38, они соединяют боковины покрышки по диагонали. Нити корда в радиальных шинах располагаются почти под прямым углом к бортам. Радиальные шины обеспечивают прекрасное сцепление с дорогой в совокупности с не большим сопротивлением качению. Срок их службы больше, чем срой службы диагональных покрышек. Так получается потому, что радиальные покрышки очень эластичные и обеспечивают комфортную поездку на автомобиле, которая отличается повышенной безопасностью.

    Рис 2. Маркировка шины

    Типы  двигателей легковых автомобилей

    Сначала остановимся кратко на общей характеристике принципа работы двигателя. Воздух поступает  в двигатель через воздухоочиститель и заслонку. Водитель управляет количеством воздуха, который проходит через заслонку педалью газа. Далее через систему впуска воздух поступает в цилиндры. В некотором месте в воздушный поток добавляется топливо. В современных автомобилях это происходит в инжекторах, а в более старых - в карбюраторах. В основном сегодня применяются четырехтактные двигатели внутреннего сгорания с зажиганием от искры. Исключением являются дизельные и роторные двигатели. Но на их характеристике мы останавливаться не будем [4].

    Существует  несколько типов двигателей в  зависимости от числа цилиндров  и их взаимного расположения. Автомобили могут иметь от 3 до 12 цилиндров, которые  располагаются в блоке цилиндров  в  той или иной конфигурации. Самые распространенные из них 3, 4, 5 и 6 цилиндровые двигатели обычно используют линейную конфигурацию, когда все цилиндры расположены в ряд. V-образная конфигурация отличается использованием двух блоков цилиндров, расположенных под некоторым углом. Чаще всего V-образные двигатели имеют 6, 8, 10 и 12 цилиндров. Реже встречается плоское расположение противоположно направленных блоков цилиндров. Такая конфигурация применяется в Subaru и Porsche, а также в старых "жуках" Volksvagen. В некоторых 12-ти цилиндровых моделях Ferrari также используется плоское расположение блоков цилиндров, всё это указано на рисунках.

    Рис 3. Виды расположения цилиндров в двигателях 

    Каждый  цилиндр содержит поршень, который  двигается вверх и вниз по цилиндрическому  каналу. Коленчатый вал расположен ниже цилиндров в обычном двигателе, в основании V между блоками цилиндров в V-образных двигателях. Поршни, перемещаясь вверх и вниз, поворачивают коленчатый вал точно так же, как ноги проворачивают, шестерню, связанную с педалями велосипеда.

    Головка цилиндра закреплена на вершине каждого из блоков цилиндров, чтобы перекрыть индивидуальные цилиндры и поддерживать в них процесс сгорания. Головка цилиндра содержит, по крайней мере, один впускной клапан и один выпускной клапан для каждого цилиндра. Это позволяет ввести воздушно-топливную смесь в цилиндр, а также вывести оттуда сгоревший выхлопной газ. Большинство двигателей имеет два клапана в каждом цилиндре - для впуска и выпуска. Некоторые более новые двигатели для увеличения мощности и эффективности используют несколько впускных и выпускных клапанов в каждом цилиндре. В этом случае двигатели маркируются по числу клапанов, например, "24 Valve V6", что указывает на то, что V-6 двигатель имеет четыре клапана на цилиндр. Современные автомобильные двигатели могут использовать от 2 до 5 клапанов на цилиндр [4].

    Клапаны открываются и закрываются посредством  распределительного вала. Распределительный  вал имеет индивидуальные для  каждого цилиндра кулачки (эксцентрики), которые своими выступами толкают  стержни, открывающие клапаны цилиндров. Закрытие клапана осуществляется пружиной, когда кулачок перестает действовать. Как правило, в двигателе имеется один распределительный вал. Он синхронизирован с коленчатым валом, что позволяет открывать и закрывать клапаны в нужные моменты времени. В новых двигателях распределительный вал иногда располагается в головке блока цилиндров. Этот вариант более эффективен, но гораздо более дорог в производстве, так как требует нескольких распределительных валов для V-образных и плоских двигателей. Некоторые двигатели имеют раздельные распределительные валы для впуска и выпуска. Они имеют маркировку Double Overhead Camshaft (DOHC), что отличает их от обычных двигателей - Single Overhead Camshaft (SOHC). Двигатели с распределительным валом в головке блока цилиндров имеют маркировку Overhead Valve (OHV).

    Вся работа двигателя подразделяется на четыре такта - Всасывание, Сжатие, Работа и Выхлоп. Поршень идет вниз при  такте всасывания, вверх при такте  сжатия, вниз при рабочем такте  и снова вверх при такте выхлопа.

    Впрыск. При движении поршння вниз стержень толкает клапан всасывания, и он открывается, впуская топливно-воздушную смесь в цилиндр. Поршень втягивает смесь подобно шприцу. Когда поршень достигает нижней точки, клапан закрывается, запирая воздушно-топливную смесь в цилиндре.

    Сжатие. Поршень поднимается и сжимает пойманную в ловушку воздушно-топливную смесь. Степень сжатия определяется характеристикой двигателя и находится в диапазоне от 8:1 до 10:1. Это означает, что, когда поршень достигает вершины цилиндра, воздушно-топливная смесь сжата приблизительно в десять раз от ее первоначального объема.

    Работа. Искра свечи зажигания, воспламеняет сжатую воздушно-топливную смесь. При этом происходит мощное расширение газа. Процесс сгорания толкает поршень вниз цилиндра с большой силой, поворачивающей коленчатый вал, что позволяет сдвинуть транспортное средство. Каждый поршень срабатывает в свое время, определенное двигателем. К тому времени, когда коленчатый вал проворачивается дважды, в каждом цилиндре двигателя произойдет один рабочий цикл.

    Выхлоп. Когда поршень окажется вновь у основания цилиндра, открывается выпускной клапан, что позволяет удалить отработанный газ из цилиндра. Так как сгоревший газ находится в цилиндре под очень высоким давлением, то при открытии выпускного клапана он вырывается с огромной скоростью и громким хлопком. Чтобы уменьшить шум, применяют глушители. Далее поршень идет вверх, чтобы начать новый цикл.

    Масло - жизненная основа двигателя. Двигатель, работающий без масла, проживет столько, сколько человек без крови. Масло поступает под давлением ко всем движущимся частям двигателя от масляного насоса. Масляный насос приводится в действие либо от коленвала, либо от распредвала. Существует датчик масла, который контролирует давление и посылает эту информацию на приборную панель. Когда водитель поворачивает ключ зажигания, еще до запуска двигателя, датчик должен послать световой сигнал отсутствия давления, оповещая тем самым о своей работоспособности. Как только двигатель запустится, сигнал должен погаснуть.

    Двигатели внутреннего сгорания должны поддерживать устойчивую рабочую температуру, не слишком высокую и не слишком  низкую. При высокой температуре  и отсутствии охлаждения двигатель  может выйти из строя. Некоторые  двигатели охлаждаются струей воздуха, однако большинство двигателей имеют жидкостное охлаждение. Водяной насос распространяет хладагент по всему двигателю, охлаждая горячие области вокруг цилиндров и головки, после чего посылает горячий хладагент радиатору, где тот снова остывает [4].

    Трансмиссия автомобиля и коробка  передач

    Трансмиссия предназначена для передачи крутящего  момента от двигателя к ведущим  колесам автомобиля. Изменение крутящего  момента в трансмиссии оценивается  передаточным числом, равным отношению частот вращения коленчатого вала двигателя и ведущих колес. Трансмиссии по характеру связи между двигателем и ведущими колесами разделяют на: механические, гидрообъемные, электрические, комбинированные (гидромеханические, электромеханические). В зависимости от назначения автомобиля, расположения в нем двигателя и ведущих колес трансмиссия автомобиля может включать: сцепление, коробку передач, карданную передачу, главную передачу, дифференциал, привода к ведущим колесам, раздаточную коробку [9].

    Автоматическая коробка переключения передач имеет ряд преимуществ. Самым распространенным видом автомобильной автоматической трансмиссии стала гидромеханическая передача. Из-за широкого распространения именно её за рубежом называют "автоматическая трансмиссия". Она, как правило,  одержит: гидродинамический трансформатор, механические передачи, систему управления автоматическим переключением передач. При механической трансмиссии поток мощности от двигателя к колесам автомобиля идет через шестерни, т.е. через жесткую механическую связь.

    При гидромеханической же передаче этот поток мощности идет еще и через  гидродинамический трансформатор, рабочие колеса которого связаны  друг с другом через жидкость. Благодаря этому уменьшаются динамические нагрузки, вызываемые как крутильными колебаниями, идущими от двигателя, так и неравномерностью хода зубчатых передач. Смягчаются также динамические эффекты от неровностей дорожного покрытия. Гидродинамический трансформатор благодаря особенностям своей характеристики изменяет крутящий момент двигателя. Поэтому число передач в механической части гидромеханической передачи делается меньше числа передач, чем в механических коробках передач. Это 5-6 передач вместо 13-16 в большегрузных автопоездах и 3-4 передачи в легковых автомобилях [10].

    Карбюратор

    Карбюратор - элемент системы питания двигателя, в котором происходит образование  смеси путем смешивания топлива  и воздуха. Он выполняет роль регулирования  топлива, из-за чего смесь может быть обедненной (малое количество топлива) и обогащенной (большое количество топлива). Идеальной (стехиометрической) смесью называют соотношение 1 грамма бензина на 14,7 граммов воздуха.

    Автомобильный карбюратор является простым устройством. Это его главное преимущество, благодаря которому стоимость, а  также его ремонт являются более низки по сравнению с инжекторными системами впрыска. Но главный недостаток карбюратора - это невозможность достичь оптимальной смеси, из-за чего карбюраторный автомобили имели повышенный расход топлива и уменьшенные динамические характеристики. К тому же, экологичность таких автомобилей была не на высоте, вследствие чего карбюраторы всецело заменили инжекторными системами.

    В России раньше наиболее популярными  были карбюраторы серии "Солекс", "Озон" и "ДААЗ", которые применялись  на отечественных "восьмерках" и "семерках". Благодаря широкому распространению карбюраторов ВАЗ 2108 и фото ВАЗ-2107, их можно было починить в любом гараже, не прибегая к услугам фирменных автосервисов. Некоторые автолюбители даже самостоятельно их ремонтировали, благодаря обильному количеству информации в автомобильных журналах и книгах, а также благодаря очень простой конструкции карбюратора. Простейший карбюратор состоит из четырёх основных элементов: поплавковой камеры (10) с поплавком (3), жиклёра (9) с распылителем (7), диффузора (6) и дроссельной заслонки (5). 

    Рис 4. Схема элементарного карбюратора  

    Топливо по трубке (1) поступает из бака в  поплавковую камеру (10). В поплавковой  камере плавает пустотелый, обычно латунный поплавок (3), на который опирается запорная игла (2). Когда уровень топлива в поплавковой камере достигнет необходимой высоты, поплавок всплывёт настолько, что заставит запорную иглу перекрыть трубку (1), прекращая подачу топлива в поплавковую камеру. По мере расходования топлива его уровень в поплавковой камере понижается, поплавок опускается, и запорная игла снова открывает подачу топлива, таким образом в поплавковой камере поддерживается постоянный уровень топлива, что очень важно для правильной дозировки подачи топлива.  

    Из  поплавковой камеры топливо поступает через жиклёр (9) в распылитель (7). Количество топлива, вытекающего из распылителя (7), зависит при прочих равных условиях от размеров и формы жиклёра.

    При движении поршня в такте впуска давление в цилиндре снижается. При этом наружный воздух засасывается в цилиндр через карбюратор и впускной трубопровод, проходя через воздушную трубу (8) карбюратора, в которой находится диффузор (6). В самой узкой части диффузора помещается конец распылителя. В сужающейся части диффузора скорость потока воздуха увеличивается, а давление воздуха уменьшается. Благодаря отверстию (4) в поплавковой камере поддерживается атмосферное давление, в результате под влиянием разности давлений происходит истечение топлива из распылителя. Топливо, вытекающее из распылителя, раздробляется струями воздуха, распыляется, частично испаряется и, перемешиваясь с воздухом, образует горючую смесь. Как правило, вместо одного диффузора используется двойной или даже тройной диффузор. Дополнительные диффузоры расположены концентрически в главном диффузоре и имеют небольшие размеры. Через них проходит только часть общего потока воздуха. Вследствие высокой скорости в центральной части при небольшом сопротивлении основному потоку воздуха достигается более качественное приготовление горючей смеси. Количество горючей смеси, поступающей в цилиндры двигателя, а следовательно, и мощность двигателя регулируется дроссельной заслонкой (5), которая обычно приводится в движение педалью акселератора (или ручным приводом у мотоциклов и некоторых автомобилей).

    Подвеска  автомобиля

    Подвеска  автомобиля, или система подрессоривания  — совокупность деталей, узлов и  механизмов, играющих роль соединительного  звена между кузовом автомобиля и дорогой [1]. Входит в состав шасси. Подвеска выполняет следующие функции:

    Физически соединяет колёса или неразрезные  мосты с несущей системой автомобиля — кузовом или рамой. Она фактически передаёт на несущую систему силы и моменты, возникающие при взаимодействии колёс с дорогой.

    Кроме того, обеспечивает требуемый характер перемещения колёс относительно кузова или рамы, а также необходимую плавность хода. Основными элементами подвески являются следующие элементы. Упругие элементы, которые воспринимают и передают нормальные (направленные по вертикали) силы реакции дороги, возникающие при наезде колеса на её неровности.

    Направляющие  элементы, которые задают характер перемещения колёс и их связи  между собой и с несущей  системой, а также передают продольные и боковые силы и их моменты. Амортизаторы, которые служат для гашения колебаний несущей системы, возникающих вследствие действия дороги. В реальных подвесках зачастую один элемент выполняет сразу несколько функций.

    Например, многолистовая рессора в классической рессорной подвеске заднего моста  воспринимает одновременно как нормальную реакцию дороги (то есть, является упругим элементом), так и боковые и продольные силы (то есть, является и направляющим элементом), а также за счёт межлистового трения выступает в качестве несовершенного фрикционного амортизатора.

    Однако  в подвесках современных автомобилей, как правило, каждую из этих функций  выполняют отдельные конструктивные элементы, достаточно жёстко задающие характер перемещения колёс относительно несущей системы и дороги, что  обеспечивает заданные параметры устойчивости и управляемости.

    Современные автомобильные подвески становятся сложными конструкциями, сочетающими  механические, гидравлические, пневматические и электрические элементы, зачастую имеют электронные системы управления, что позволяет достичь сочетания высоких параметров комфортабельности, управляемости и безопасности.

    Рулевое управление автомобиля

    Рулевое управление автомобиля предназначено  для изменения угла поворота колес  при изменении положения руля. В общем, если руль повернуть вправо, то происходит работа рулевого управления, которое поворачивает колеса автомобиля тоже в правую сторону. Чем больше угол поворота руля, тем на больший угол поворачиваются управляемые колеса. Главное требование, которое предъявляется к рулевому управлению современного автомобиля - это надежность и точность работы. Это означает, что если неисправно рулевое управление, то это может привести к печальным последствиям, ведь машина становиться полностью неуправляемой [7].

    Еще одно важное требование -  это точность управления, т.е. при повороте руля, колеса должны сразу же, а не с задержкой, поворачиваться на определенный угол, который точно соответствует углу поворота рулевого колеса.

    Рулевое управление состоит из рулевого механизма  и привода. Как это показано на Рис. На данный момент наиболее распространены следующие типы рулевых механизмов: винт-гайка, червяк-ролик и рейка-сектор. Данные механизмы относятся к механическим, но в последнее время крупнейшие производители автомашин хотят заменить механическое рулевое управление на электронное. Таким образом,  не будет никаких механических тяг и приводов, будет только блок управления, который согласно изменению положения руля будет поворачивать колеса машины с помощью электромоторов.

    Рис 5. Схема устройства и принцип работы рулевого управления автомобиля

    Рулевое колесо воспринимает от водителя усилия, необходимые для изменения направления  движения, и передает их через рулевую  колонку рулевому механизму. Диаметр  рулевого колеса легковых автомобилей  находится в пределе 380 - 425 мм, грузовых автомобилей – 440 – 550 мм. Рулевое колесо спортивных автомобилей имеет меньший диаметр.

    Рулевая колонка обеспечивает соединение рулевого колеса с рулевым механизмом. Она  представлена рулевым валом, имеющим несколько шарнирных соединений. На современных автомобилях предусмотрено механическое или электрическое регулирование положения рулевой колонки. регулировка может производиться по вертикали, по длине или в обоих направлениях. В целях защиты от угона осуществляется механическая или электрическая блокировка рулевой колонки [7].

    Рулевой механизм предназначен для увеличения, приложенного к рулевому колесу усилия, и передачи его рулевому приводу. В качестве рулевого механизма используются различные типы редукторов. Наибольшее распространение на легковых автомобилях получили реечные рулевые механизмы.

    Реечный рулевой механизм включает шестерню, установленную на валу рулевого колеса и связанную с зубчатой рейкой. При вращении рулевого колеса рейка  перемещается в одну или другую сторону  и через рулевые тяги поворачивает колеса. Реечный рулевой механизм располагается, как правило, в подрамнике подвески автомобиля. Рулевой привод предназначен для передачи усилия, необходимого для поворота, от рулевого механизма к колесам. Он обеспечивает оптимальное соотношение углов поворота управляемых колес, а также препятствует их повороту при работе подвески.