3. Устройство автомобиля

3.1. Общие понятия и классификации

Изучению устройства автомобиля уделяется достаточно времени в любой автошколе, поэтому мы ограничимся лишь общими сведениями. Маловероятно, чтобы этот справочник стал учебником для профессиональных мастеров по ремонту автомобилей, однако для того, чтобы стать настоящим автомобилистом, то есть полностью овладеть машиной, нужны определенные знания.

Итак, автомобиль состоит из трех основных частей: двигателя, шасси и кузова (рис. 3.1.1 и 3.1.2).

Двигатель является источником механической энергии, приводящей автомобиль в движение.

Рис. 3.1.1. Двигатель и шасси грузового автомобиля:

1 – двигатель, 2 — сцепление, 3 – коробка передач, 4 – рулевое

управление, 5 – карданная передача, 6 – задний ведущий мост,

7 – рама, 8 — рессора, 9 — колесо, 10 — топливный бак, 11 – амортизатор, 12 – передний мост

Шасси автомобиля представляет собой совокупность механизмов, предназначенных для передачи крутящего момента от двигателя к ведущим колесам, передвижения автомобиля и управления им. В шасси входят три группы механизмов: трансмиссия, ходовая часть и механизмы управления.

Трансмиссия автомобиля служит для передачи крутящего момента от двигателя к ведущим колесам и позволяет изменить величину и направление крутящего момента. Трансмиссия двухосного автомобиля с передним расположением двигателя и приводом на задние колеса (рис. 3.1.1 и 3.1.2) включает следующие механизмы: сцепление, коробку передач, карданную передачу, главную передачу, дифференциал и полуоси. Главная передача, дифференциал и полуоси расположены в картере заднего ведущего моста.

Ходовая часть автомобиля состоит из рамы, переднего и заднего мостов, подвески (рессор и амортизаторов) и колес. В легковых автомобилях (рис. 3.1.2) и автобусах рама, как правило, отсутствует. В этом случае все агрегаты автомобиля крепятся к кузову и его называют несущим.

Механизмы управления включают рулевое управление, необходимое для обеспечения движения автомобиля по заданному водителем направлению, и тормозную систему.

Кузов автомобиля предназначен для размещения грузов, водителя и пассажиров.

Классификация автомобилей – это тема, которую вряд ли можно назвать до конца исследованной. И это несмотря на то что производителям, а вслед за ними дилерам и прочим продавцам вроде бы все абсолютно ясно. Все они делают вид, что им понятна применяемая терминология и они свободно ориентируются в хитросплетении букв, цифр и специальных обозначений, без которых не обходится ни одна автомобильная фирма при крещении своего очередного детища. Попробуем и мы разобраться в этой премудрости. Грузовики и автобусы (минивэны в том числе) трогать не будем. Речь пойдет о легковых автомобилях, да и то не всех, а преимущественно тех, которые лучше известны отечественным автолюбителям. Итак, классифицируем.

По типу кузова. В этой классификации – самая большая путаница, поэтому приводим известные читателям марки и модели, присоединив к их названиям те определения классов, с которыми они пришли в автосалоны и на страницы ведущих автомобильных изданий.

Рис. 3.1.2. Легковой автомобиль:

1 — двигатель, 2 – кузов, 3 – топливный бак, 4 – задняя рессора,

5 – задний ведущий мост, 6 – карданная передача, 7 – коробка передач, 8 – сцепление, 9 — амортизатор

Седан — до недавних пор самый распространенный класс. Это автомобиль с трехобъемным кузовом с четко разделенными моторным отделением, салоном и багажником. Такой кузов имеют почти все «Волги», большинство моделей ВАЗ (2101, 2103, 2105, 2106, 2107, 21099, 2110, 2115), «Москвичи» (от 401 до 2140), «Запорожцы» – предшественники «Таврии», и великое множество иностранных автомобилей – от «Альфа-Ромео» до «Ягуара». Иногда седаны называют еще лимузинами. Разумеется, такое название подходит не всем, а только тем, что побогаче, то есть побольше и покомфортабельнее. А в общем, что «Мерседес-Бенц-600», что старая «копейка» – все седаны.

Универсал — это кузов, который одинаково пригоден и для перевозки пассажиров, и для поездок на охоту или за покупками. Из машин производства стран СНГ в этом классе наиболее известны «Волга» ГАЗ-310221, все УАЗы (кроме микроавтобусов), ВАЗ-2102, ВАЗ-2104, ВАЗ-2111, «Нива», а также ЛуАЗ. Типичные зарубежные представители универсалов – все те машины, которые мы в просторечии неточно именуем джипами (ранее в отечественной практике их всех называли универсалами повышенной проходимости). Среди них и настоящие вседорожники – «Ленд-Ровер Дифендер» или «Тойота Лендкрузер», и так называемые «паркетные джипы» вроде «КИА Спортидж» или «Тойота RAV4». В соседстве с «проходимцами» прижились «СААБ 9–5 Вэгон», «Фольксваген Пассат Вариант», «Опель Астра Караван» и множество других моделей.

Хэтчбек — тот самый класс, в который объединились в 80-х годах прошлого столетия автомобили, прозванные «зубилами» за их характерную угловатую геометрию передка и скошенную заднюю часть. Это преимущественно переднеприводные двухобъемники, у которых подкапотное пространство целиком отдано силовому агрегату и трансмиссии, а все остальное – пассажирам и их багажу. Впервые отечественные автолюбители познакомились с этим техническим чудом, когда с конвейера Волжского автозавода сошла «восьмерка», то есть ВАЗ-2108. Вскоре семейство пополнилось «Таврией», АЗЛК выпустил «Москвич-2141» – и пошло… За рубежом массово выпускались «Фольксваген Гольф», «Шкода Фаворит», «Фиат Уно» и другие представители славного класса «зубил».

Сегодня хэтчбек – едва ли не самая распространенная компоновка недорогого автомобиля для народа. При выборе автомобиля покупатели отдают предпочтение хэтчбекам за хорошую аэродинамику кузова, интересный дизайн и, что немаловажно, – высокую механическую прочность.

Приведенная выше «кузовная» классификация отнюдь не претендует на абсолютною полноту и завершенность, ибо не учитывает некоторых специфических видов кузовов, которые мы не стали выделять в отдельные классы, чтобы сохранить хоть какую-то стройность и системность изложения. Однако, справедливости ради, отметим, что, например, седан с открывающейся крышей или вовсе без нее – это уже кабриолет, тот же седан, но с двумя дверями – купе, а если у него многолитровый могучий мотор и ярко выраженные скоростные свойства – то уже родстер.

В общем случае, читатель, представляется целесообразным, выбирая автомобиль, не зацикливаться на кузовном классе (он в любом случае условен и мало что определяет), а тщательно изучить эксплуатационные свойства машины, чтобы понять, насколько они соответствуют той сумме, которую просит за автомобиль продавец.

По типу привода. В этой классификации вариантов меньше, чем с кузовами. Есть так называемые классические автомобили, у которых привод осуществляется на задний мост (такие часто называют «классическими»), и переднеприводные, у которых энергия двигателя передается на передние колеса. У переднеприводных машин нет карданной передачи, защитный короб над которой доставлял неудобства пассажирам, сидящим сзади. Салоны переднеприводных автомобилей удобнее, просторнее, а сами автомобили обычно имеют более высокий дорожный просвет. Однако не обошлось и без недостатков: имея великолепную устойчивость и неплохие скоростные качества на горизонтальных участках дороги, спусках и виражах, легкие машины не слишком уверенно берут подъемы, так как на подъеме сцепление передних ведущих колес становится в некоторые моменты несколько ослабленным.

У большинства автомобилей от двигателя, расположенного впереди, крутящий момент передается на задние ведущие колеса. На некоторых автомобилях и автобусах двигатель расположен сзади и ведущими являются задние колеса. В этом случае нет продольно расположенного карданного вала, поэтому можно опустить пол кузова и снизить центр тяжести автомобиля. Увеличивается также и площадь пассажирского помещения. Однако в таких автомобилях усложнена система управления двигателем и трансмиссией с места водителя, а также трудно достичь благоприятного распределения массы между передним и задним мостами.

В автомобилях повышенной проходимости (их еще называют полноприводными) крутящий момент от двигателя передается через сцепление, коробку передач и промежуточный карданный вал к раздаточной коробке. Последняя распределяет крутящий момент между ведущими мостами. Из тех вседорожников, которые доступны широкому кругу отечественных автомобилистов, полный привод имеет «Нива». Кстати, это скромное детище советского автопрома, поставленное на конвейер в 1978 году, в свое время стало фактически родоначальником целого класса небольших, но достаточно комфортабельных джипов.

В зарубежных классификациях, характеризующих автомобили, можно встретить термины наподобие «коммерческий», «представительский» и другие. Но это уже подклассы, имеющие отношение не столько к техническим особенностям автомобиля, сколько к его предполагаемой роли в человеческом обществе. К тому же, все эти классы весьма условны.

К примеру, в нашей глубинке на «Мерседесе» Е-класса может величаво восседать преуспевающий бизнесмен, а в Германии эти машины используются как самые обычные такси и отличаются от других лишь характерным желтым цветом.

3.2. Двигатель: устройство, узлы и системы

Автомобильные двигатели внутреннего сгорания могут быть поршневыми и беспоршневыми (например, газотурбинными). В поршневом двигателе сгорание топлива и превращение тепловой энергии в механическую происходит внутри цилиндра. В газотурбинном двигателе топливо сгорает в специальной камере, а тепловая энергия превращается в механическую на лопатках газовой турбины.

На подавляющем большинстве современных автомобилей устанавливают поршневые двигатели внутреннего сгорания.

По способу смесеобразования и воспламенения топлива поршневые двигатели внутреннего сгорания подразделяются на две группы:

а) с внешним смесеобразованием и принудительным зажиганием, от электрической искры (бензиновые и газовые);

б) с внутренним смесеобразованием и воспламенением от соприкосновения с воздухом, сильно нагретым в цилиндре путем высокого сжатия (дизели).

Карбюраторный бензиновый двигатель (рис. 3.2.1, а) имеет кривошипно-шатунный механизм, газораспределительный механизм и системы охлаждения, смазки, питания и зажигания.

Кривошипно-шатунный механизм служит для преобразования прямолинейного возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение коленчатого вала. Он состоит из цилиндра со съемной головкой 1, поршня 3 с поршневыми кольцами, поршневого пальца 13, шатуна 12, соединенного верхней головкой с поршнем и нижней головкой с коленчатым валом 11, маховика 7, закрепленного на заднем конце коленчатого вала, и картера. Поршень 3 перемещается в цилиндре прямолинейно вниз и вверх. Коленчатый вал 11 вращается в подшипниках, установленных в картере, отлитом за одно целое с цилиндром. Снизу двигатель закрыт поддоном 9, используемым как резервуар для масла.

Рис. 3.2.1. Схема устройства карбюраторного двигателя (а), мертвые точки и объемы цилиндра (б):

1 — головка цилиндров, 2 – свеча зажигания, 3 – поршень, 4 – водяной насос, 5 – толкатель, 6 — распределительный вал, 7 – маховик, 8 – масляный насос, 9 – поддон, 10 — распределительные шестерни, 11 — коленчатый вал, 12 — шатун, 13 – поршневой палец, 14 — впускной клапан, 15 – карбюратор, 16 — выпускной клапан, 17 — коромысло, 18 — штанга; S — ход поршня, V_c – объем камеры сгорания, V_n — полный объем цилиндра, В. м. т. – верхняя мертвая точка, Н. м. т. – нижняя мертвая точка

Верхнее крайнее положение поршня в цилиндре (рис. 3.2.1, б) называется верхней мертвой точкой (в. м. т.), нижнее положение – нижней мертвой точкой (н. м. т.). Расстояние, проходимое поршнем от одной до другой мертвой точки, называется ходом поршня S.

Перемещение поршня от одной мертвой точки до другой вызывает поворот коленчатого вала на половину оборота.

Объем V_c над поршнем, находящимся в в. м. т., называется объемом камеры сгорания, а объем V_a над поршнем, находящимся в н. м. т., – полным объемом цилиндра.

Объем V_n, освобождаемый поршнем при его перемещении от в. м. т. к н. м. т., называется рабочим объемом цилиндра.

Если диаметр цилиндра и ход поршня выразить в дециметрах, то рабочий объем цилиндра получим в кубических дециметрах или литрах.

Рабочий объем всех цилиндров многоцилиндрового двигателя называют литражом. Его подсчитывают умножением рабочего объема одного цилиндра на число цилиндров двигателя.

Отношение полного объема цилиндра V_n к объему камеры сгорания V_c называется степенью сжатия.

Степень сжатия показывает, во сколько раз уменьшается объем смеси или воздуха, находящихся в цилиндре, при перемещении поршня от н. м. т. к в. м. т.

Газораспределительный механизм обеспечивает своевременное заполнение цилиндра горючей смесью (или воздухом) и удаление продуктов сгорания. Этот механизм (рис. 3.2.1) состоит из впускного 14 и выпускного 16 клапанов, пружин, направляющих втулок клапанов, толкателей 5, штанг 18, коромысел 17, распределительного вала 6, установленного в подшипниках картера, и шестерен 10, приводящих вал 6 во вращение от коленчатого вала 11.

Система охлаждения, имеющая водяной насос 4, служит для отвода тепла от стенок цилиндра и головки 1, сильно нагревающихся при сгорании горючей смеси в цилиндре двигателя.

Система смазки, включающая масляный насос 8 и фильтры для очистки масла, обеспечивает смазку трущихся деталей двигателя, а также частичное их охлаждение.

Система питания предназначена для приготовления горючей смеси, подачи ее в цилиндр двигателя и удаления продуктов сгорания. В карбюраторном двигателе для приготовления смеси служит карбюратор 15. Кроме карбюратора в систему питания входят топливный бак, топливный насос, фильтры для очистки воздуха и топлива, впускной и выпускной трубопроводы, глушитель шума выпуска.

Система зажигания необходима для воспламенения горючей смеси в цилиндре двигателя. Она включает источник электрической энергии, катушку зажигания, прерыватель тока низкого напряжения, провода и свечи зажигания, электрическая искра от которой воспламеняет горючую смесь.

Рабочие циклы двигателей внутреннего сгорания

Процесс, происходящий в цилиндре двигателя за один ход поршня, называется тактом. Совокупность всех процессов, происходящих в цилиндре, т. е. впуск горючей смеси, сжатие ее, расширение газов при сгорании и выпуск продуктов сгорания, называется рабочим циклом.

Если рабочий цикл совершается за четыре хода поршня, т. е. за два оборота коленчатого вала, то двигатель называется четырехтактным.

Рабочий цикл четырехтактного карбюраторного двигателя

Первый такт – впуск (рис. 3.2.2, а). Поршень 3 перемещается от в. м. т. к н. м. т., впускной клапан 1 открыт, выпускной клапан 2 закрыт. В цилиндре создается разрежение 0,07—0,09 МПа (0,7–0,9 кгс/см²) и горючая смесь, состоящая из паров бензина и воздуха, поступает в цилиндр. Горючая смесь смешивается с продуктами сгорания, оставшимися в цилиндре от предшествующего цикла, и образует рабочую смесь. Чем лучше наполнение цилиндра горючей смесью, тем выше мощность двигателя.

Температура смеси в конце впуска 350–400 К (75– 125 °C).

Второй такт – сжатие (рис. 3.2.2, б). Поршень перемещается от н. м. т. к в. м. т., оба клапана закрыты. Давление и температура рабочей смеси повышаются, достигая к концу такта соответственно 0,9–1,5 МПа (9—15 кгс/см²) и 500–750 К (350–500 °C).

Третий такт – расширение, или рабочий ход (рис. 3.2.2, в). В конце такта сжатия рабочая смесь воспламеняется электрической искрой, происходит быстрое сгорание смеси. Максимальное давление при сгорании достигает 3–5 МПа (30–50 кгс/см²), а температура 2300–2700 К (2100–2500 °C).

Рис. 3.2.2. Рабочий цикл четырехтактного карбюраторного двигателя:

а – впуск, б — сжатие, в – расширение, г – выпуск; 1 — впускной клапан, 2 – выпускной клапан, 3 — поршень

Давление газов в процессе расширения передается на поршень, далее через поршневой палец и шатун – на коленчатый вал, создавая крутящий момент, заставляющий вал вращаться. В конце расширения начинает открываться выпускной клапан, давление в цилиндре снижается до 0,3–0,5 МПа (3–5 кгс/см²), а температура – до 1200–1500 К (1000–1200 °C).

Четвертый такт – выпуск (рис. 3.2.2, г). Поршень перемещается от н. м. т. к в. м. т., выпускной клапан открыт. Отработавшие газы выпускаются из цилиндра в атмосферу. Процесс выпуска протекает при давлении выше атмосферного. К концу такта давление в цилиндре снижается до 0,11—0,12 МПа (1,1–1,2 кгс/см²), а температура – до 1000–1100 К (700–800 °C).

Далее процессы, происходящие в цилиндре, повторяются в указанной последовательности. Рабочим является только один такт – расширение, впуск и сжатие являются подготовительными, а выпуск – заключительным тактами.

При пуске двигателя его коленчатый вал вращается электродвигателем (стартером) или пусковой рукояткой. Когда двигатель начнет работать, впуск, сжатие и выпуск происходят за счет энергии, накопленной маховиком двигателя при рабочем такте.

Рабочий цикл четырехтактного дизеля

При впуске (рис. 3.2.3, а) поршень движется от в. м. т. к н. м. т., открыт впускной клапан. За счет образующегося разрежения в цилиндр поступает чистый воздух. Давление 0,085—0,095 МПа (0,85—0,95 кгс/см²), температура 310–340 К (40–70 °C).

При такте сжатия (рис. 3.2.3, б) поршень движется вверх, оба клапана закрыты. Давление и температура воздуха повышаются, достигая в конце такта 3,5–5,5 МПа (35–55 кгс/см²) и 700–900 К (450–650 °C).

Когда поршень подходит к в. м. т., в цилиндр через форсунку 1 впрыскивается дизельное топливо, подаваемое насосом высокого давления 2 (рис. 3.2.3, е).

При рабочем ходе впрыснутое в цилиндр дизельное топливо самовоспламеняется от сильно сжатого и нагретого воздуха. С появлением первых очагов пламени начинается процесс сгорания, характеризуемый быстрым повышением давления и температуры.

Рис. 3.2.3. Рабочий цикл четырехтактного дизеля:

а – впуск, б – сжатие, в – расширение, г – выпуск;

1 — форсунка, 2 — топливный насос высокого давления

Когда поршень от в. м. т. начинает опускаться, сгорание в течение некоторого промежутка времени протекает при почти постоянном давлении. Максимальное давление газов достигает 5–9 МПа (50–90 кгс/см²), а температура – 1800–2200 К (1600–2000 °C). В конце расширения давление снижается до 0,2–0,4 МПа (2–4 кгс/см²), а температура – до 1000–1200 К (800-1000 °C).

При такте выпуска (рис. 3.2.3, г) поршень перемещается от н. м. т. к в. м. т., открыт выпускной клапан. Давление газов в цилиндре снижается до 0,11—0,12 МПа (1,1–1,2 кгс/см²).

После окончания такта выпуска начинается новый рабочий цикл.

Вследствие более высоких значений степени сжатия дизели более экономичны по расходу топлива, чем карбюраторные двигатели. Кроме того, они используют более дешевые сорта нефтяного топлива и менее опасны в пожарном отношении, чем бензин. С другой стороны, дизели имеют большую массу, чем карбюраторные двигатели, поэтому их устанавливают преимущественно на автомобилях большой и особо большой грузоподъемности. В то же время, на импортных легковых автомобилях часто встречаются малогабаритные дизельные двигатели, имеющие хорошие динамические показатели и просто-таки фантастическую экономичность.

В одноцилиндровом четырехтактном двигателе один рабочий ход совершается за два оборота коленчатого вала, поэтому коленчатый вал вращается неравномерно, несмотря на наличие маховика.

Современные автомобильные двигатели выполняют четырех-, шести– и восьмицилиндровыми и реже десяти-и двенадцатицилиндровыми. Расположение цилиндров может быть однорядным (рис. 3.2.4, а) и двухрядным V-образным (рис. 3.2.4, б).

При том же литраже V-об-разное расположение цилиндров позволяет уменьшить габариты двигателя по сравнению с рядным расположением цилиндров, а следовательно, более удобно расположить место водителя и органы управления. На рис. 3.2.4, в показана нумерация цилиндров V-образного восьмицилиндрового двигателя.

Рис. 3.2.4. Многоцилиндровые двигатели:

а — рядное расположение цилиндров, б – V-образное расположение цилиндров, в