Транскрипт

1 ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВанИЕ Г. И. ГЛАДОВ, А. М. ПЕТРЕНКО устройство автомобилей УЧЕБНИК Рекомендовано Федеральным государственным автономным учреждением «Федеральный институт развития образования» в качестве учебника для использования в учебном процессе образовательных учреждений, реализующих программы начального профессионального образования по профессии «Автомеханик», ПМ.01 «Техническое обслуживание и ремонт автотранспорта» Регистрационный номер рецензии 421 от 12 декабря 2011 г. ФГАУ «ФИРО» 6-е издание, стереотипное

3 Уважаемый читатель! Данный учебник является частью учебно-методического комплекта по профессии «Автомеханик». Учебник предназначен для изучения профессионального модуля ПМ.01 «Техническое обслуживание и ремонт автотранспорта» (МДК.01.02). Учебно-методические комплекты нового поколения включают в себя традиционные и инновационные учебные материалы, позволяющие обеспечить изучение общеобразовательных и общепрофессиональных дисциплин и профессиональных модулей. Каждый комплект содержит учебники и учебные пособия, средства обучения и контроля, необходимые для освоения общих и профессиональных компетенций, в том числе и с учетом требований работодателя. Учебные издания дополняются электронными образовательными ресурсами. Электронные ресурсы содержат теоретические и практические модули с интерактивными упражнениями и тренажерами, мультимедийные объекты, ссылки на дополнительные материалы и ресурсы в Интернете. В них включены терминологический словарь и электронный журнал, в котором фиксируются основные параметры учебного процесса: время работы, результат выполнения контрольных и практических заданий. Электронные ресурсы легко встраиваются в учебный процесс и могут быть адаптированы к различным учебным программам.

4 4 Введение Социально-экономическое развитие мирового сообщества предопределяет интенсивное развитие современных видов транспорта, в числе которых ведущее место занимает автомобильный транспорт. Интересна история автомобилестроения. Во всем мире моментом создания первого автомобиля годом его «рождения» официально признан 1886 г., когда Карл Бенц и Готлиб Даймлер независимо друг от друга изобрели и изготовили первые образцы своих автомобилей. Однако история создания прообраза автомобиля началась значительно раньше г. крестьянин Нижегородской губернии Леонтий Шамшуренков строит «самобеглую» коляску, приводимую в движение двумя едущими на ней людьми гг. французским инженером Н.-Ж. Кюньо создана первая паровая повозка, на которой используется тепловая машина. Подобная машина была построена на Алтае пятью годами раньше М. М. Ползуновым гг. в Англии изобретатель У. Мердок, а позднее также Р. Третивик работают над повозками, снабженными паровыми машинами высокого давления гг. знаменитый русский механик И. П. Кулибин разрабатывает самокатки с педальным приводом на три-четыре колеса. В 1791 г. И. П. Кулибин построил трехколесную «самокатку», где впервые применены такие элементы автомобиля, как коробка передач, рулевой механизм, тормоза, роликовые подшипники г. Р. Третивик построил большую паровую повозку, которую можно считать первым паровым автомобилем г. в Германии Г. Лангеншпергер разработал конструкцию передних управляемых колес на цапфах г. петербургский мастер К. Янкевич разработал проект введения в России «быстрокатов» для скоростного движения. Паровые машины с трубчатым котлом, имевшим более ста железных дымогарных трубок, были предложены для автомобиля впервые.

6 нии с калильной трубкой при сжатии. Этот двигатель при рабочем объеме 462 см 3 развивал мощность 1,1 л. с. при 680 мин 1. В 1889 г. появился первый двухцилиндровый двигатель Даймлера с V-образным расположением цилиндров под углом всего 17. По конструкции он был точно такой же, как и одноцилинд ровый. Этот двигатель развивал мощность уже 1,67 л. с. при мин 1. В 1891 г. строят свой автомобиль швейцарцы братья Анрио, в 1892 г. Генри Форд, в 1893 г. американец Чарлз Дюри. Англичанин Ф. Ланчестер создал первый автомобиль в 1895 г. В 1896 г. на Всероссийской промышленной выставке в Нижнем Новгороде был выставлен первый русский автомобиль, сконструированный Е. А. Яковлевым и П. А. Фрезе. Он представлял собой обыкновенный двухместный экипаж типа «фаэтон» с горизонтальным одноцилиндровым двигателем. Его конструкция не отличалась сложностью: зажигание осуществлялось от батареи сухих элементов, а карбюратор был простейшего, испарительного типа. При рабочем объеме примерно 860 см 3 мотор Яковлева развивал мощность 1,5 2 л. с. Машина Яковлева и Фрезе весила 300 кг, ее оборудование включало в себя складной кожаный верх, два керосиновых фонаря и сигнальный рожок с резиновой грушей. Несмотря на маломощный мотор, она могла развивать скорость до 20 верст в час, а запаса горючего (лигроина) хватало на 200 верст пути (примерно 214 км). В 1895 г. Роберт Бош создает зажигание от магнето, в 1896 г. французы братья Мишлен начинают производство съемных пневматических шин. В 1897 г. Р. Бош создает более совершенную систему зажигания с прерывателем, что позволяет конструкторам создать высокооборотные двигатели. В 1898 г. Луи Рено строит автомобиль с прямой передачей в коробке передач и карданной передачей (вместо цепной) к заднему мосту. Затем применяет рулевое колесо (правда, еще не наклонное), пневматические (а не массивные) шины. На одной из следующих, уже серийных своих машин он ставит полностью закрытый кузов. В 1899 г. Вильгельм Майбах и независимо от него венгерский инженер Донат Банки создают жиклерный карбюратор. Это изобретение стало этапным для моторостроения. В тоже время русский инженер И. В. Романов разработал конструкции электрических автомобилей разного назначения. В 1901 г. построенные им двухместные электроизвозчик и электробус проходят официальные испытания в Петербурге. 6

8 шины низкого давления с каркасом покрышки из кордовой ткани; шарниры равных угловых скоростей для привода управляемых колес; автомобильные радиоприемники. В середине 1930-х гг. началось производство автомобилей с несущими кузовами, которые стали более прочными вследствие большей жесткости кузова, технологичными благодаря меньшему числу деталей и сборочных операций, а также экономичными из-за снижения массы и выравнивания долговечности несущих элементов. Конструкция несущего кузова «Ситроен» модели «Траксьонавант» («передний привод») заслуживает почетного места в истории кузовов. Она получилась жесткой и прочной и выпускалась свыше 20 лет. Следующей массовой моделью с несущим кузовом стал «Опель Олимпия», освоенный в 1935 г. Безрамные конструкции автомобилей вынудили сторонников рам пойти на усовершенствования. Чтобы повысить жесткость на кручение, были созданы хребтовые рамы с центральной трубчатой или коробчатой балкой. Их можно было встретить на довоенных автомобилях НАМИ-1 (СССР, 1927), «Шкода-Популяр» (Чехословакия, 1937), «Мерседес-Бенц-130» (Германия, 1934). Позже в конструкцию рамы была введена Х-образная поперечина, которая также резко увеличила жесткость на кручение. Пример тому модель ГАЗ-М1 (СССР, 1936) и все довоенные американские легковые автомобили. Ряд немецких фирм («Адлер», «Ганомаг» и др.) стали применять так называемую раму-коробку, представляющую собой несущее днище кузова с приваренными к нему лонжеронами и поперечинами коробчатого сечения. Наиболее отработанной несущей конструкцией такого типа можно считать разработанную Фердинандом Порше для своего «Фольксвагена» комбинированную систему, состоящую из центрального коробчатого лонжерона, развет вляющегося сзади в вилку для крепления двигателя, и приваренного к нему днища. Ф. Порше, «отец» «Фольксвагена-жука», создал два варианта кузова: деревянно-металлический и цельнометаллический тип З. Это был двухдверный четырехместный заднеприводный седан с обтекаемым кузовом, четырехцилиндровым оппозитным двигателем воздушного охлаждения и независимой подвеской всех колес на торсионах (двигатель рабочим объемом 985 см 3 развивал мощность 22,5 л. с. при мин 1 ). Американской фирме «Олдсмобил» принадлежит первенство в создании и начале выпуска автоматических коробок передач. Появившаяся в 1938 г. четырехступенчатая планетарная «Гидрама- 8

10 имели ни у покупателей, ни в качестве такси, и почти все они были куплены киностудией и уничтожены во время съемок фантастического фильма (сохранилось два экземпляра). Тем не менее каплевидные кузова эпизодически строились для спортивных автомобилей и каждый раз доказывали преимущество своей формы перед обычной. Первым облек серийный автомобиль в аэро динамические формы чешский конструктор Ганс Ледвинка, сконструировавший в 1934 г. первую обтекаемую «Татру» модели 77. Каплевидная форма отлично сочеталась с заднемоторной компоновкой. Автомобиль массой кг и мощностью восьмицилиндрового трехлитрового двигателя всего 75 л. с. развивал скорость до 160 км/ч, расходуя 14 л горючего на 100 км пути, в то время как аналогичные автомобили развивали максимум км/ч при расходе бензина л на 100 км. Дальнейшее развитие автомобильной аэродинамики связано с работами Пауля Ярая. Он уже не копировал каплю строившиеся в 1930-е гг. по его патентам автомобильные кузова были «хвостатыми»: задняя часть кузова сужалась, линия крыши плавно опускалась вниз, переходя в длинный и плоский «хвост» наподобие утиного. В конце 1930-х гг. появились новые модели серийных автомобилей с улучшенной аэродинамикой: «Адлер Штромформ», «Ганомаг-1,3», «Линкольн Зефир» и др. Открытие профессора Высшей технической школы в Штутгарте Вунибальда Камма позволило в 1938 г. построить опытные образцы обтекаемых кузовов, которые как будто следовали идеям Румплера о каплеобразной форме, но с радикальным отличием Камм отрезал неудобный и мешавший конструкторам (и потребителям) «хвост», и оказалось, что такой кузов с вертикальной задней стенкой обладает не худшими аэродинамическими качествами. Развитие идей Камма и привело к сегодняшней стандартной форме двухобъемных кузовов. Двухобъемным был и кузов нового советского среднелитражного автомобиля М20, названного звучным именем «Победа». В 1946 г. пятиместный автомобиль с новым четырехцилиндровым двигателем объемом см 3 и мощностью 52 л. с. при мин 1 был, пожалуй, единственной, действительно новой и передовой конструкцией в то время. «Победа» ознаменовала большой шаг вперед в части удобства пользования по сравнению с предшественницей «Эмкой». Уже то, что в «Победе» имелась система обогрева салона и обдува ветрового стекла, избавляло от необходимости зимой ездить с открытым окном, как на «Эмке», где при закрытых окнах стекла немедленно обмерзали. 10

12 и выпускаемый до 2000 г. в Великобритании. А. Иссигонис исходил из принципа, что главное для легкового автомобиля пассажирский салон, поэтому он отвел ему 80 % длины, а оставшиеся 20 % двигателю и другим агрегатам. Чтобы при трехметровой длине салон был вместительным, двигатель (четырехцилиндровый, 993 см 3, 38 л. с. при мин 1 ) пришлось поставить поперек. Но Иссигонис в отличие от предшественников поставил его спереди автомобиля да еще и радиатор сдвинул назад и влево, поставив его рядом с блоком цилиндров. Спустя несколько лет многие фирмы стали заменять свои заднемоторные модели на новые, подражая «Мини». На автомобилях среднего класса, таких, как «Мерседес-Бенц», «Опель Капитан», «Пежо-403» и спортивных седанах «Альфа Ромео», «Вольво Амазон», «БМВ-1500» появились передние дисковые тормоза, кузова с энергопоглощающими бамперами. В моторостроении следует отметить явно наметившийся в 1960-е гг. переход на двигатели с распределительным валом в головке блока. Благодаря этому они могли работать на больших оборотах и были мощнее, чем их предшественники со штанговым приводом клапанов. И еще одно серьезное новшество пошло в серию системы впрыскивания топлива на бензиновых двигателях. Тогда же появилось и другое важное изобретение антиблокировочная тормозная система. Ее принцип регулировать давление в тормозном цилиндре каждого колеса отдельно и так, чтобы не дать ни одному из них перестать вращаться ведь известно, что самое эффективное торможение происходит тогда, когда все колеса чуть проворачиваются на грани юза. Для СССР 1960-е гг. ознаменовались серийным выпуском «Москвича-408». Однако возможности АЗЛК (тогда МЗМА) по выпуску «Москвичей» были ограничены, и было решено строить новый современный завод малолитражных автомобилей. В 1968 г. заработал конвейер ижевского автозавода, начавшего выпуск «Москвичей-412» с современным 75-сильным двигателем, а на Волге развернулась грандиозная стройка автозавода по производству малолитражек по лицензии итальянского автомобиля «Фиат- 124». Волжский автомобильный завод первые тысячи автомобилей выпустил в 1970 г., и они быстро покорили сердца наших автомобилистов динамичностью, надежностью, качеством изготовления, отделкой. Отличный двигатель с распределительным валом в головке блока цилиндров, шасси с подвеской всех колес на цилиндрических спиральных пружинах, удобный салон и вместительный багажник. Можно смело утверждать, что ВАЗ-2101 в момент 12

14 нем на червячные, имеющие свойство самоблокироваться. При буксовании одного из колес дифференциал автоматически блокируется, обеспечивая вращение обоих колес. Систематическая и целенаправленная работа над повышением пассивной безопасности автомобиля началась в начале 1960-х гг. Одним из первых решений, направленных на повышение пассивной безопасности, было применение безопасного закаленного стекла, которое при аварии раскалывалось на множество мелких неострых осколков, не могущих никому причинить вреда. Далее рулевое колесо. Многие десятилетия использовалась стандартная конструкция рулевое колесо с расположенными в его плоскости тремя или четырьмя спицами насаживалось ступицей на шлицы рулевого вала и закреплялось гайкой, которая закрывалась декоративной пробкой или кнопкой звукового сигнала. Первое, что сделали конструкторы в начале 1960-х гг., было смещение вниз ступицы рулевого колеса. Также было установлено, что рулевое колесо безопасной конструкции должно иметь две спицы, причем расположенные не диаметрально противоположно, а под углом Кроме того, они должны быть наклонены к плоскости обода на угол не менее 20. Теперь компоновка кузова. Например, «Ауди-80» выпуска 1987 г. серийно оборудован системой пассивной безопасности «Прокон-тен» (Prokon-ten). Ее назначение смягчать последствия аварии, если автомобиль столкнется с препятствием или другим автомобилем. Как известно, все современные автомобили конструируются так, чтобы пассажирский салон был максимально жестким, а отсек двигателя и багажник достаточно легко поддавались деформации во время столкновения. Помимо того, двигатель от удара должен скользить назад и вниз, рулевая колонка деформироваться. В этом случае пристегнутые ремнями безопасности водитель и пассажиры имеют немало шансов остаться живыми и даже не получить ранений. Система «Проконтен» как раз и использует эту современную особенность автомобиля двигатель во время аварии скользит назад. Для этого автомобиль должен быть специально спроектирован так, чтобы при ударе передняя (или задняя) часть сминалась, поглощая и постепенно гася энергию удара, а салон оставался целым и даже не деформированным. Работы начались в начале 1960-х гг. в фирмах «Даймлер-Бенц» и «Вольво». Конструирование современных автомобильных кузовов немыслимо без применения ЭВМ. Долголетние поиски позволили получить программы конструирования и испытания автомобилей на экране дисплея. ЭВМ, рассчитавшая прочность отдельных элемен- 14

16 также работы по созданию аэромобилей, первым из которых стал аэромобиль с горизонтальным взлетом нормальной самолетной схемы «Ларк-4», массой 700 кг, мощностью порядка 400 квт и скоростью от 43 до 750 км/ч. Образцы аэромобилей с вертикальным взлетом созданы в США, Израиле и Японии. Их масса находится в диапазоне кг, мощность от 100 до квт, а скорость км/ч. Конструкции аэромобилей разнообразны. Например, конструкция, выполненная в виде двух стоек, расположенных по обеим бокам машины, имеющих возможность поворота в вертикальной плоскости и снабженных набором аэродинамических элементов, участвующих в создании подъемной силы. В некоторых конструкциях с целью уменьшения габаритных размеров автомобиля крылья располагают вдоль корпуса, а при подготовке к полетному режиму разворачивают в поперечном направлении под взлетным углом атаки. Неудобство аэромобилей с раскладывающимися крыльями заключается в трудности (а в ряде случаев и невозможности) раскрытия крыльев в дорожном потоке автомашин. Следует вспомнить и такой вид транспорта как аэросани, созданные в СССР в прошлом веке ( гг.) и применявшиеся в северных районах.

18 всеместное использование получили газовые двигатели, работающие на газообразном природном топливе (сжиженном и сжатом газе). Газовые двигатели лучше, чем бензиновые, запускаются при низких температурах, имеют более однородную топливовоздушную смесь и значительно уменьшенное содержание в отработавших газах углеводородов и оксидов азота. При этом конструкция бензинового двигателя, на котором устанавливается система подачи газа, практически не изменяется, кроме системы топливоподачи. В частности, применение сжиженных нефтяных газов позволяет снизить содержание вредных веществ в отработавших газах более чем на 10 %. В качестве топлива для автомобилей возможно применение различных спиртов. В частности, этанола и метанола. Применение спиртов в чистом виде усложняется их высокой теплотой испарения и низкой теплотой сгорания. На таких автомобилях затруднен пуск холодного двигателя, поэтому спирты (например, этанол) используются как 10-процентная добавка к бензину. Применение метанола спиртового топлива, получаемого в процессе переработки нефти или каменного угля, обеспечивает снижение вредных выбросов по сравнению с бензином на 5 %. К недостаткам метанолового топлива относится его высокий расход: для получения необходимой мощности требуется вдвое большее количество метанола по сравнению с бензином. В некоторых странах пробовали использовать этанол спиртовое топливо, получаемое из растений (кукуруза, сахарный тростник и др.). Этанол по своим свойствам близок к метанолу и также обеспечивает снижение вредных примесей в отработавших газах. Однако отработавшие газы двигателей, работающих на этаноле, имеют неприятный запах и вызывают раздражение слизистых оболочек. Проводятся работы и по созданию ДВС, работающих на водородном топливе. Водород (Н 2 ) горючий газ, который при сгорании соединяется с кислородом, образуя воду. Водород, по современным представлениям, является наиболее перспективным топливом для автомобильного транспорта. Однако применение такого двигателя осложняется вопросами безопасности при осуществлении рабочего процесса, сложностью создания систем питания и снабжения водородом. Следует отметить тенденцию использования двигателей, преобразующих электрическую энергию в механическую, на автомобилях, работающих в основном в городских условиях (электромобили). Однако, учитывая небольшой запас энергии существующих 18

20 биля проводится двумя способами: количественным и качественным. Количественное регулирование осуществляется изменением количества всей расходуемой топливовоздушной смеси путем применения дроссельных устройств и заслонок. Качественное регулирование осуществляется изменением одной из составляющих топливной смеси: либо количества топлива, либо воздуха в составе топливовоздушной смеси при сохранении постоянного объема расхода смеси. 5. Способ осуществления рабочего цикла: двухтактные и четырехтактные двигатели. 6. Число и расположение цилиндров: одноцилиндровые, многоцилиндровые (однорядные, одновальные рядные, многорядные, оппозитные и V-образные). 7. Способ охлаждения двигателя: жидкостное, воздушное или смешанное охлаждение. 8. Степень быстроходности: тихоходные двигатели со средней скоростью движения поршня до 10 м/с, быстроходные со средней скоростью поршня более 10 м/с. 9. Рабочий объем цилиндров (литраж): микролитражные двигатели (до 1 л), малолитражные (до 2 л), среднелитражные (до 4 л) и большого литража (более 4 л). Независимо от используемого топлива и отличительных признаков силовые установки с ДВС поршневого типа имеют определенный состав механизмов и систем. Состав силовой установки: двигатель основа силовой установки, преобразующий тепловую энергию в механическую; кривошипно-шатунный и газораспределительный механизмы; системы, обеспечивающие работу двигателя: смазочная, охлаждения, питания топливом и воздухом, пуска двигателя, зажигания (только у двигателей с внешним смесеобразованием), программного управления работой двигателя, отвода отработавших газов и вентиляции картера двигателя. Силовая установка располагается на автомобиле так, чтобы все системы, обслуживающие двигатель, находились как можно ближе к нему для уменьшения габаритных размеров установки и сокращения длины трубопроводов. Такое размещение облегчает техническое обслуживание, уменьшает вибрации и улучшает условия управления работой двигателя. В настоящее время на легковых автомобилях наиболее широко используются четырехтактные двигатели с внешним образованием топливовоздушной смеси, принудительным воспламенением и 20

22 Рис Двигатель и его обслуживающие системы Применяемые на легковых автомобилях ДВС независимо от конструктивного исполнения технологических особенностей изготовления, мощности и сложности систем, обеспечивающих надежную и экономичную работу двигателя, имеют аналогичную принципиальную схему работы, схожий состав узлов и деталей. Рассмотрим некоторые частные примеры, которые позволят создать определенное представление о конструкции поршневых ДВС, применяемых на отечественных и зарубежных легковых автомобилях. На автомобилях с приводом на задние колеса («классическая компоновка») устанавливается продольно расположенный четырехцилиндровый двигатель с верхним расположением распределительного вала механизма газораспределения. На автомобилях с приводом на передние колеса устанавливаются поперечно расположенные четырехцилиндровые двигатели с рядными вертикальными цилиндрами и верхним расположением распределительного вала. Как в первом, так и во втором случаях для различных моделей применяются унифицированные двигатели, отличающиеся геометрическими размерами цилиндров, поршней и других узлов. Отличительная особенность двигателей переднеприводных автомобилей заключается в их компоновочных размерах, обусловленных поперечным расположением совместно с коробкой передач между брызговиками передних колес. Все двигатели (рис. 1.2) имеют аналогичные узлы и детали, выполняющие определенные функциональные задачи. Основные части двигателя: его корпус картер, головка цилиндра, цилиндр, 22

24 механизма газораспределения, клапанный механизм, газовые каналы и др. Распределительный вал приводится во вращение от коленчатого вала двухрядной роликовой цепью с натяжным устройством полуавтоматического типа или специальным зубчатым ремнем с эксцентриковым роликовым натяжителем. Коленчатый вал чугунный, литой, пятиопорный, концы его уплотнены самоподжимными сальниками. Поршни алюминиевые, литые, имеют два компрессионных и одно маслосъемное кольца. Смазочная система двигателя комбинированная (под давлением от масляного насоса и разбрызгиванием). Масляный насос шестеренного типа с внешним (для заднеприводных автомобилей) или внутренним (для переднеприводных автомобилей) зацеплением. Привод насоса осуществляется непосредственно от коленчатого вала или роликовой цепью. Система охлаждения двигателя жидкостная, закрытого типа, с принудительной циркуляцией жидкости и расширительным бачком. У переднеприводных автомобилей система работает при более высоком тепловом режиме по сравнению с заднеприводными моделями. Насос охлаждающей жидкости центробежного типа, приводится во вращение от коленчатого вала клиновым ремнем у двигателей заднеприводных машин и ременной передачей к распределительному валу у переднеприводных. Система питания с бензиновым двигателем на легковых автомобилях имеет либо карбюратор, либо систему впрыска. Двигатели оборудуют как контактной, так и бесконтактной системой зажигания. Зарубежные автомобили «Ауди», «Форд», «Опель», «Мерседес», «БМВ» и другие имеют как бензиновые двигатели, так и дизели. Следует отметить, что на отечественных легковых автомобилях дизели практически не используются. В настоящее время зарубежные легковые автомобили, оборудованные дизелями, находят применение в нашей стране, но не столь широкое, как с бензиновыми двигателями. Это можно объяснить сравнительно меньшей долговечностью дизелей по сравнению с бензиновыми двигателями, некоторыми экономическими проблемами и низким качеством отечественного дизельного топлива. Проблемы эксплуатации дизелей имеются и за рубежом. Продолжая описание применяемых на легковых автомобилях двигателей, обратимся к зарубежным моделям. Для привода легковых автомобилей «Ауди» применяются четырех-, пяти- и шестицилиндровые двигатели, работающие на бензине и дизельном топли- 24

26 ненной с основной камерой каналами, при впрыске топлива навстречу потоку заряда воздуха, сжатого поршнем, происходит турбулизация заряда и эффективное перемешивание воздуха с топливом. Дизель отличается от бензинового и системой остановки двигателя. В современных моделях двигатель отключается вакуумным регулятором, прекращающим подачу топлива при установке ключа зажигания в положение «0». В вакуумном регуляторе создается дополнительное давление через механический насос во время всей работы двигателя. Остановке двигателя способствует подача воздуха к подкачивающему механизму, в результате чего происходит замедление и двигатель останавливается приводом выключения насоса высокого давления. Автомобиль «Опель Вектра/Калибра» приводится в движение рядным двигателем с жидкостным охлаждением. Распределительный вал находится у двигателя ОНС вверху в головке блока цилиндров (ОНС Over head camshaft). Шестнадцатиклапанный двигатель автомобиля имеет два распределительных вала, расположенных сверху (DOHC), из которых один управляет впускными, а другой выпускными клапанами. Блок цилиндров отлит из сплава серого чугуна с отверстиями под цилиндры двигателя. При большом износе или появлении задиров на поверхности стенок цилиндров их можно хонинговать и шлифовать. После этого необходимо установить поршни большего размера. У дизеля объемом 1,7 л могут быть установлены гильзы, которые дают возможность применять поршни с нормальными размерами. В нижней части блока цилиндров находится коленчатый вал, который опирается на подшипники. Через подшипники скольжения коленчатый вал связан с шатунами. Снизу блок цилиндров закрыт масляным поддоном, в котором собирается масло, служащее для смазывания и охлаждения двигателя. В головке блока цилиндров, изготовленной из алюминия, запрессованы клапанные седла и стальные направляющие клапанов. Применение алюминия для головки блока цилиндров объясняется его хорошей теплопроводностью и низким удельным весом. Головка блока цилиндров выполнена по так называемому принципу поперечной продувки. Это означает, что свежая топливовоздушная смесь попадает на одну сторону головки блока цилиндров, в то время как сгоревшие газы выходят с другой стороны головки. Благодаря поперечной организации потока обеспечивается хороший газообмен. Вверху в головке блока цилиндров находится распределительный вал, который приводится в движение зубчатым ремнем от коленчатого вала. Распределительный вал 26

28 газы поступают непосредственно на турбину. В этом случае используется потенциальная и кинетическая энергия газов. На ряде двигателей форсированный режим работы достигается за счет небольшого усложнения конструкции турбокомпрессора. Например, турбодизель объемом 1,7 л (ТС 4 ЕЕ1) и двигатель с турбонаддувом объемом 2,0 л (С 20 LET) оснащены турбонагнетателем. На валу турбонагнетателя установлены два турбинных колеса в двух раздельных корпусах. Турбинные колеса приводятся в движение отработавшими газами двигателя. Они разгоняют газовое колесо до частоты вращения мин 1. Так как оба колеса сидят на одном валу, то с той же скоростью вращается и воздушное колесо нагнетателя, которое накачивает воздух в цилиндры двигателя. Благодаря лучшему наполнению цилиндров увеличивается мощность двигателя. Степень этого увеличения зависит от давления накачиваемого воздуха. Если давление увеличивается выше установленного значения, то открывается клапан и давление уменьшается. Вместе с увеличением мощности при турбонаддуве увеличивается также вращающий момент, что благоприятно сказывается на динамических качествах автомобиля. Для дальнейшего улучшения наполнения цилиндров турбокомпрессор автомобиля «Опель Вектра/Калибра» охлаждается воздухом. Охладитель находится между трубопроводами и всасывающим колесом и охлаждает предварительно сжатый воздух. Это необходимо, так как сжатый воздух нагревается в результате сжатия в турбонагнетателе, и его плотность (а вместе с ней и содержание в воздухе кислорода) уменьшается. В противоположность бензиновым двигателям в дизельных двигателях степень сжатия вследствие наддува возрастает, и поэтому даже при низких оборотах впрыскиваемое топливо сгорает полностью. Как видно из представленного описания двигателей легковых автомобилей, можно отдельные механизмы и системы, обслуживающие двигатель, рассматривать без привязки к конкретным отечественным или зарубежным машинам, а при анализе конструкции отмечать только особенности, присущие той или иной фирме, выпускающей автомобили ЭКОЛОГИЯ И АВТОМОБИЛЬ Экология (от греч. oikos жилище, родина, logos учение) наука о взаимодействии живых организмов с окружающей сре-

30 бензин). Обычно такой бензин очень ядовит, его применение в настоящее время резко сокращается, а в ряде случаев (в городских условиях) просто запрещено. Все развитые страны имеют национальные стандарты, устанавливающие нормы токсичности выбросов автомобилей, причем эти нормы постоянно пересматриваются в целях ужесточения. В нашей стране постепенно внедряются европейские нормы предельной токсичности отработавших газов. Снижение загрязнения атмосферы бензиновыми двигателями ведется путем регулирования работы систем подачи топливовоздушной смеси, введением программированного впрыска, дожигания несгоревших компонентов на выхлопе, установкой катализаторов и переходом работы двигателя на природный газ. Снижение дымления дизельных двигателей ведется введением различных антидымных присадок: бариевых, марганцевых и др., а также совершенствованием процессов смесеобразования и сгорания (вихрекамерное, предкамерное и др.). Один из перспективных путей снижения токсичности отработавших газов ДВС использование водородных присадок к топливу. Незначительная присадка к бензину элементов, выделяющих водород, улучшает сгорание топливовоздушной смеси и снижает количество вредных выбросов. Для дизелей перспективно использование диметилового эфира, позволяющего существенно улучшить экологические показатели дизеля. Для снижения в отработавших газах содержания токсичных составляющих применяют каталитические нейтрализаторы. Каталитический нейтрализтор служит для дожигания (окисления) продуктов неполного сгорания топлива (СН и СО) и разложения оксидов азота (NО). Каталитическое действие нейтрализатора основано на беспламенном, поверхностном окислении токсичных веществ в присутствии катализатора, ускоряющего химическую реакцию. Процесс окисления происходит во время прохождения отработавших газов через носитель с нанесенным на него катализатором. Скорость реакции окисления зависит от температуры носителя ( С): чем выше температура носителя, тем эффективнее протекает процесс дожигания. Эффективность каталитических нейтрализаторов достигает %. Нейтрализатор устанавливают на выпускную трубу двигателя. Нейтрализатор представляет собой носитель, состоящий из большого количества параллельных каналов (сот), поверхность которых покрыта тонким слоем катализатора. В современных нейтрализаторах для бен- 30

32 (НМТ). Расстояние между крайними положениями поршня (между ВМТ и НМТ) называется ходом поршня. В автомобильных двигателях отношение хода поршня к диаметру цилиндра S/D изменяется примерно в пределах 0,7 1,5. Если двигатель имеет S/D < 1,0, то его называют короткоходным; при S/D = 1,0 квадратным, при S/D > 1,0 длинноходным. Объем в цилиндре над поршнем, когда поршень находится в ВМТ, называется камерой сгорания. Объем цилиндра, освобождаемый поршнем при его движении от ВМТ до НМТ, называется рабочим объемом. Сумма рабочего объема и камеры сгорания составляет полный объем цилиндра. Рабочий объем всех цилиндров двигателя, выраженный в литрах, принято называть литражом двигателя. Важным параметром, характеризующим двигатель, выступает степень сжатия. Степень сжатия показывает, во сколько раз сжимается поступающая в цилиндр топливовоздушная смесь (бензиновый двигатель) или воздух (дизель) при перемещении поршня от НМТ к ВМТ. У бензиновых двигателей степень сжатия находится в пределах 6 12, у дизельных 14 24; чем выше степень сжатия, тем большую мощность может развить двигатель. Степень сжатия предопределяет также экономичность и токсичность двигателя. При работе двигателя в его цилиндрах происходит ряд процессов, связанных с подачей топливовоздушной смеси или воздуха в надпоршневой объем цилиндра, сжатием смеси или воздуха, воспламенением топливовоздушной смеси и выбросом в атмосферу отработавших газов. Эти процессы периодически повторяются в каждом цилиндре двигателя. Совокупность последовательных процессов, периодически повторяющихся в цилиндре и обеспечивающих непрерывную работу двигателя, называется рабочим циклом. Рабочий цикл четырехтактного двигателя состоит из четырех тактов, каждый из которых происходит за один ход поршня или за пол-оборота коленчатого вала. Каждому такту соответствует определенный процесс, совершаемый в двигателе: впуск, сжатие, расширение и выпуск. У двухтактного двигателя все указанные процессы совершаются за два хода поршня или за один оборот коленчатого вала, т. е. за каждый такт совершаются два процесса. В процессе одного и того же рабочего цикла в двигателях с внешним и внутренним смесеобразованием условия протекания отдельных процессов значительно различаются, прежде всего, по давлению и температуре. Такое различие определяет и характер 32

34 отметить, что если в бензиновых двигателях воспламенение смеси происходит до прихода поршня в ВМТ, то в дизелях подача топлива через форсунку начинается до прихода поршнем в ВМТ, смесь самовоспламеняется, а подача топлива продолжается еще некоторое время после прохождения поршнем ВМТ. При воспламенении смеси выделяется большое количество теплоты, в результате чего давление в цилиндре бензинового двигателя возрастает до 4 МПа, а температура до С; в дизеле более 8 МПа, а температура до С. Под действием давления газов поршень перемещается от ВМТ к НМТ. В процессе рабочего хода на коленчатом валу создается крутящий момент, а маховиком запасается кинетическая энергия, необходимая для обеспечения повторения тактов работы поршня. К концу рабочего хода давление газов внутри цилиндра понижается до 0,3 0,5 МПа, а температура до С. Четвертый такт выпуск. При подходе поршня к НМТ открывается выпускной клапан, впускной клапан закрыт. Отработавшие газы под действием избыточного давления, а также перемещающимся поршнем от НМТ к ВМТ вытесняются из цилиндра. Давление внутри цилиндра в конце выпуска понижается до 0,11 0,12 МПа, температура до С. После перехода поршнем ВМТ выпускной клапан закрывается, а впускной открывается, и рабочий цикл повторяется. Необходимо отметить, что полное освобождение цилиндра при выпуске от отработавших газов обеспечить не удается. Оставшаяся часть отработавших газов называется остаточными газами, при последующем цикле они смешиваются с топливовоздушной смесью в бензиновом двигателе и с чистым воздухом в дизеле. Смесь топлива с воздухом и оставшимися отработавшими газами называется рабочей смесью. Не следует путать понятия «рабочая смесь» и «горючая смесь». Горючая смесь это смесь чистого воздуха с топливом. Как видно из представленного рабочего цикла четырехтактного двигателя, работа одного цилиндра не будет равномерной, так как рабочий ход поршня совершается с ускорением. Для уменьшения неравномерности работы двигателя на конце коленчатого вала устанавлен маховик большой массы. Кинетическая энергия, запасенная маховиком при рабочем ходе поршня, обеспечивает уменьшение неравномерности вращения коленчатого вала и позволяет поршню преодолевать мертвые точки при возвратно-поступательном движении. Для обеспечения равномерной работы двигателя маховик должен иметь большую массу и объем, что не при- 34

36 придет в НМТ, т. е. когда поршень совершает еще рабочий ход. При этом отработавшие газы начинают раньше выходить из цилиндра, облегчая работу поршня на их вытеснение. Закрытие выпускного клапана происходит после прихода поршня в ВМТ; при этом, несмотря на начало движения поршня к НМТ, отработавшие газы по инерции еще будут выходить из цилиндра, обеспечивая более полное его очищение. Углы опережения и запаздывания, а следовательно, и продолжительность открытия клапанов, должны быть тем больше, чем выше частота вращения коленчатого вала двигателя. Это объясняется повышением интенсивности газообменных процессов при неизменной инерции поступающего в цилиндр свежего заряда и выхода отработавших газов. Необходимо отметить, что диапазон указанных выше углов поворота коленчатого вала, соответствующих моментам открытия или закрытия клапанов, относится к двигателям различного конструктивного исполнения. Для повышения мощности двигателя без увеличения объема цилиндров в некоторых конструкциях двигателей внутреннего сгорания (как правило, в дизельных) применяют наддув воздуха с соответствующим увеличением количества впрыскиваемого топлива. Для обеспечения наддува используют компрессоры (турбокомпрессоры), нагнетающие на входе в цилиндр воздух под давлением 0,15 0,17 МПа. Использование турбонаддува позволяет без изменения размеров двигателя и частоты вращения коленчатого вала повысить мощность двигателя более чем в 1,5 раза. Для привода компрессора, подающего воздух в цилиндр, используют энергию отработавших газов. Турбокомпрессор состоит из двух лопастных колес турбинного и компрессорного, установленных на одном валу. При открытом выпускном клапане поршень выталкивает отработавшие газы, часть которых через сопловой аппарат попадает на лопасти рабочего колеса турбины. Вместе с валом вращается и рабочее колесо компрессора, засасывая воздух через воздухоочиститель и нагнетая его по впускному трубопроводу в цилиндр при открытом впускном клапане. Особенности работы двухтактного двигателя. На некоторых легковых автомобилях малого класса устанавливают двухтактные двигатели. Одним из таких автомобилей был «Трабант». Рабочий цикл двухтактного двигателя осуществляется за два хода поршня (два такта) или один поворот коленчатого вала. Двигатели, работающие по двухтактному циклу, изготавливают как с внешним, 36

38 пать горючая смесь или воздух. Происходит наполнение цилиндра свежим зарядом и принудительное вытеснение отработавших газов (процесс расширения). От НМТ поршень движется к ВМТ, при этом продувочное окно остается открытым и в цилиндр продолжает поступать свежий заряд, вытесняя отработавшие газы. Совместное осуществление двух процессов наполнения и выпуска называют продувкой цилиндра. Различают контурную и прямоточную продувку цилиндра. При контурной продувке происходит частичная потеря свежего заряда вследствие перемешивания его с отработавшими газами. При прямоточной продувке, поскольку свежий поток заряда не меняет своего направления, очистка цилиндра и его наполнение происходят более эффективно. Мощные двухтактные двигатели проектируют по принципу двигателей двойного действия, в которых тепловые процессы совершаются в двух рабочих полостях, расположенных с обеих сторон поршня. В таких двигателях за один оборот вала совершается два рабочих цикла, что обеспечивает увеличение мощности более чем на 80 %. В классических двухтактных двигателях часть топливовоздушной смеси теряется вместе с отработавшими газами, что обуславливает низкую топливную экономичность по сравнению с четырехтактными двигателями. В последнее время появились двухтактные двигатели, в которых используется процесс впрыска топливовоздушной смеси, что позволяет значительно повысить рабочую характеристику двигателя. Поскольку на большинстве эксплуатируемых легковых автомобилях в основном используются четырехтактные двигатели, в дальнейшем будем рассматривать конструкцию только таких двигателей. Классификация двигателей внутреннего сгорания. По числу цилиндров двигатели подразделяются на двух-, трех-, четырех-, пяти-, шести-, восьми- и 12-цилиндровые. По расположению цилиндров двигатели могут быть рядные, когда цилиндры расположены в вертикальной плоскости или под некоторым углом к ней последовательно друг за другом, V-образные, расположенные под углом по отношению друг к другу, и оппозитные, расположенные горизонтально напротив друг друга. Наибольшее распространение получили рядные и V-образные двигатели. У V-образных двигателей в зависимости от конструкции угол между двумя рядами цилиндров может составлять от 75 до 120, для четырех- и шестицилиндровых двигателей угол обычно равен 90. Нумерация рядных цилиндров осуществляется по- 38

40 щенной в механическую работу, к количеству теплоты, содержащейся в топливе. Величина эффективного КПД находится в пределах 0,25 0,3 для бензиновых двигателей и 0,3 0,42 для дизелей. То есть более 60 % тепловой энергии расходуется на различные потери в двигателе. К другим основным показателям работы двигателя относятся крутящий момент, мощность двигателя, механический коэффициент полезного действия, экономичность работы двигателя. Крутящий момент это произведение силы, создаваемой давлением газов на поршень и передаваемой на коленчатый вал, на радиус кривошипа коленчатого вала (Н м). Мощность это работа, совершаемая при вращении коленчатого вала, выполненная за единицу времени (квт). Мощность зависит от значения крутящего момента и частоты вращения коленчатого вала. Различают индикаторную и эффективную мощность. Индикаторной называют мощность, которая развивается газами внутри цилиндра работающего двигателя. Эффективная мощность это мощность, развиваемая двигателем на коленчатом валу. Механический коэффициент полезного действия двигателя равен отношению эффективной мощности к индикаторной. Величина механического КПД находится в пределах 0,8 0,9 и зависит в основном от качества изготовления деталей и сборки узлов. Экономичность работы двигателя характеризуется удельным расходом топлива. Удельный расход топлива определяется количеством теплоты, которое расходуется на получение одной единицы мощности в единицу времени. Роторно-поршневой двигатель (двигатель Ванкеля). Помимо поршневых двигателей, где возвратно-поступательное движение поршня преобразуется во вращательное движение коленчатого вала, существуют двигатели внутреннего сгорания, в которых основной рабочий орган совершает вращательное движение. Такими двигателями являются роторно-поршневые и газотурбинные. На легковых автомобилях изредка применяют роторно-поршневые двигатели. В общем случае роторно-поршневой двигатель представляет собой тепловой двигатель, в котором функцию поршня выполняет ротор, грани которого воспринимают силы от давления газа и передают их на вал, вызывая его вращение. Вал размещен в подшипниках боковых стенок корпуса, имеет цилиндрический эксцентрик, на котором вращается трехгранный ротор. Ротор вращается внутри корпуса двигателя, который называется статором и имеет сложную геометрическую форму. Ротор связан зубчатой переда- 40

42 К кривошипно-шатунному механизму относятся картер, блок цилиндров (обычно блок цилиндров отливают вместе с верхней половиной картера, поэтому картер вместе с блоком цилиндров называют блок-картер), цилиндры, головка блока цилиндров, прокладка головки блока, поддон, поршни, поршневые кольца, поршневые пальцы, шатуны, коленчатый вал, маховик, коренные и шатунные вкладыши. Блок-картер служит основной несущей частью двигателя: в нем расположены цилиндры, опоры коленчатого вала, узлы и каналы смазочной системы, к нему крепятся головка блока цилиндров, поддон и различное оборудование систем, обслуживающих двигатель. Вокруг стенок цилиндров в блоке имеются полости, в которых циркулирует охлаждающая жидкость «водяная рубашка». На блок-картере расположены кронштейны крепления двигателя. Изготавливается блок-картер из чугуна или алюминиевого сплава. Головка блока цилиндров устанавливается на верхнюю часть блок-картера, закрывая полости цилиндров сверху. В головке блока находятся углубления, образующие камеры сгорания. Внутри головки имеются полости для охлаждающей жидкости, сообщающиеся с «водяной рубашкой» блок-картера. Камера сгорания, образованная головкой цилиндра, поршнем и стенками цилиндра, может быть цельной (однообъемной) или разделенной обычно у дизелей. У двигателей с верхним расположением клапанов в головке имеются для них гнезда; к головке крепятся впускные и выпускные каналы; имеются отверстия с резьбой для свечей зажигания бензиновых двигателей и отверстия для форсунок впрыска топлива у дизелей. Материал головки блока алюминиевый сплав или чугун. Головка с блоком соединены болтами (или шпильками с гайками) через специальную прокладку, уплотняющую полости цилиндров. Прокладка изготовлена либо из металлического листа с асбестовыми пластинами, либо из асбестового картона с облицовкой тонким стальным или медным листом. Головку к блоку крепят с использованием динамометрического ключа с затяжкой крепежа в определенном порядке. Как правило, болты или гайки затягивают крест-накрест от середины к краям. Цилиндры направляющие элементы поршней кривошипношатунного механизма. Блок-картер может быть выполнен как единое целое с цилиндром или отдельно. Цилиндры изготавливают из высококачественного чугуна, стали или алюминиевых сплавов. Внутреннюю поверхность цилиндра тщательно обрабатывают и хромируют, что обеспечивает уменьшение потерь на трение и 42

44 массы. Материалом для поршней служат алюминиевые сплавы и чугун. По массе поршни в одном двигателе не должны отличаться более чем на 7 15 г. Поршневые кольца служат для уплотнения поверхности цилиндра при движении поршня, не допуская прорыва газов в картер двигателя и попадания масла из картера в камеру сгорания. Поршневые кольца делятся на уплотнительные (компрессионные) и маслосъемные. Компрессионные кольца (два или три) устанавливают в верхние канавки поршня. Диаметр колец несколько больше диаметра цилиндра для обеспечения более плотного контакта с поверхностью цилиндра. Кольца делают разрезными (разрез кольца называют замком), поэтому при установке поршня в цилиндр кольца будут пружинить. Зазор в замке имеет величину 0,2 0,6 мм и служит для компенсации теплового расширения кольца при работе поршня. Обеспечение хорошей приработки компрессионных колец к поверхности цилиндра достигается применением колец с конусной поверхностью или трапециевидного поперечного сечения, а также скручивающихся колец. Трущуюся о цилиндр поверхность верхнего компрессионного кольца шлифуют и хромируют. Компрессионные кольца устанавливают в канавки поршня с зазором, поэтому при движении кольца будет наблюдаться скопление масла в канавке. С одной стороны, наличие масла обеспечивает смазывание поверхности цилиндра, уменьшая трение между поршнем и цилиндром, с другой стороны, масло будет попадать в камеру сгорания и образовывать нагар, ухудшающий работу кольца. Учитывая тяжелый режим и условия работы компрессионных колец, их изготавливают из высокосортного легированного чугуна. Маслосъемные кольца (одно или два) предназначены для предотвращения попадания масла в камеру сгорания. Маслосъемные кольца имеют сквозные прорези и устанавливаются в канавки поршня, также имеющие отверстия, по которым масло попадает во внутреннюю полость поршня. Маслосъемные кольца могут быть составными со специальными расширителями, обеспечивающими увеличение давления на стенки цилиндра. Кольца делают скребкового типа, работающими только при движении поршня к HМT. Маслосъемные кольца устанавливают ниже компрессионных колец. Существуют специальные маслосъемные кольца дренажного типа, имеющие две прямоугольные узкие кромки, создающие для эффективного соскребания масла на поверхности цилиндра давление до 0,4 МПа. 44

46 ную ленту, проникает в поры подслоя и соединяется с основанием вкладыша, что повышает долговечность подшипников. Внутренняя поверхность вкладышей плотно прилегает к поверхности шатунной шейки коленчатого вала, хотя вкладыши устанавливают без подгонки. Вкладыши фиксируют от проворачивания. Масло к трущимся поверхностям подводится через кольцевые проточки и отверстия во вкладышах. V-образные двигатели могут иметь как раздельные шатунные узлы, соединяющие шатун с коленчатым валом, так и сочлененные. Сочлененные шатуны имеют одну общую шатунную головку, к которой один из шатунов крепится шарнирно с помощью пальца. У таких двигателей цилиндры одного ряда не смещены относительно другого в осевом направлении коленчатого вала. Коленчатый вал в двигателе выступает основным преобразователем усилия поршня, передаваемого на него через шатун, в крутящий момент. Конструкция коленчатого вала имеет сложную форму, зависящую от числа и расположения цилиндров и порядка работы двигателя. Коленчатый вал состоит из коренных и шатунных шеек; щек, соединяющих шатунные и коренные шейки и образующих кривошипы; противовесов, служащих для разгрузки коренных подшипников от центробежных сил, возникающих на кривошипах во время вращения вала; фланца для крепления маховика, и носка, на котором крепится шестерня привода газораспределительного и других механизмов. Коренными шейками вал устанавливают в опорных узлах картера двигателя. Число коренных шеек у двигателей бывает различным, однако надежнее та конструкция двигателя, которая имеет большее число опор вала. В качестве подшипников на коренных шейках применяют тонкостенные износостойкие вкладыши, аналогичные вкладышам шатунных подшипников. Для удержания коленчатого вала от осевого смещения один из вкладышей коренных подшипников выполняют упорным. Коренные и шатунные шейки в подшипниковых узлах должны интенсивно смазываться маслом. Масло подается под давлением к коренным подшипникам, а затем по специальным каналам в коренных шейках, щеках и шатунных шейках попадает к шатунным подшипникам. В шатунных шейках имеются грязеуловительные полости, в которые центробежными силами при вращении вала отбрасываются продукты износа подшипниковых узлов. Коленчатые валы изготавливают методом ковки или литьем из углеродистых и легированных сталей. Коренные и шатунные шей- 46

48 а с нижним расположением распределительного вала; б с гидравлическим толкателем (компенсатор теплового зазора); в четырехклапанный механизм; г с двумя распределительными валами; 1 распределительный вал; 2 толкатель; 3 толкающая штанга; 4, 18 соответственно впускной и выпускной клапан; 5 направляющая втулка; 6 кронштейн; 7 коромысло; 8 контргайка; 9 регулировочный болт; 10 ось коромысла; 11 тарельчатая шайба; 12 сухарь; 13 пружина; 14 свеча зажигания; 15 канал подвода масла; 16 гидравлический толкатель (компенсатор); 17 поршень устройства. При вращении вала его кулачки набегают на толкатели и штанги. Штанги поворачивают коромысла, воздействующие на клапаны, которые открываются. После прохождения кулачка распределительного вала детали передаточного устройства и клапаны под воздействием пружин возвращаются в первоначальное 48 Рис Газораспределительные механизмы:

50 Рис Схема действия чашечного гидравлического толкателя (а) и гидравлический толкатель автомобиля «Дэу Нексия» (б): 1 стержень клапана; 2 корпус толкателя; 3 пружина плунжера; 4 гильза; 5 кулачок распределительного вала; 6 плунжер; 7 стакан обратного клапана; 8 обратный клапан; 9 масляный канал; 10 пружина обратного клапана; А, Б полости положен между наконечником стержня клапана и днищем толкателя, на который воздействует кулачок распределительного вала. К гидрокомпенсатору подводится масло из смазочной системы двигателя. Компенсатор работает следующим образом. В закрытом положении клапана корпус 2 толкателя и гильза 4 прижимаются соответственно к кулачку 5 распределительного вала и наконечнику стержня 1 клапана усилием пружины 3. Давление масла в полостях А и Б одинаково, обратный клапан 8 прижат к седлу пружиной 10. Зазор между клапаном и кулачком распределительного вала отсутствует. При набегании кулачка 5 на корпус 2 толкателя последний воздействует на плунжер 6. Перемещение плунжера 6 в гильзе приводит к росту давления в запертой полости Б. Под действием высокого давления происходят небольшие утечки масла через радиальный зазор между гильзой 4 и плунжером 6. Поскольку время воздействия кулачка на клапан мало, эти утечки практически не сказываются на синхронном движении корпуса 2 толкателя и гильзы 4, которые, двигаясь как единое целое, открывают клапан. В фазе закрытия клапана давление в полости Б становится ниже давления в полости А, которая подпитывается маслом из 50

52 словленное малым зазором, равным 0,05 0,12 мм. Направляющие втулки изготавливают из чугуна или металлокерамики, которая в силу некоторой пористости может быть пропитана смазкой, снижающей трение. Пружина создает усилие, необходимое для закрытия клапана и плотной его посадки в седло. Пружина должна иметь такую жесткость, которая, с одной стороны, обеспечивала бы надежную посадку клапана в седло, а с другой не создавала бы ударную нагрузку на седло клапана при его закрытии (т.е. не должна быть чрезмерной). В ряде случаев используют пружины меньшей жесткости, но на один клапан устанавливают по две пружины, имеющих разностороннюю навивку для исключения заклинивая клапана при поломке одной из пружин. Сдвоенные пружины снижают возможность возникновения резонансных колебаний. Аналогичное назначение имеют также пружины с переменным шагом витков. Передача движения от кулачка распределительного вала к клапанам осуществляется через передаточный механизм, состоящий из толкателя, штанги и коромысла. Толкатели передают осевое усилие от кулачков распределительного вала на штанги или стержни клапанов. Они могут быть различной формы и вида (плоские, грибовидные, цилиндрические, рычажные и др.). Рабочие поверхности толкателей упрочняют и шлифуют. Изготавливают толкатели из стали или чугуна. Коромысла двуплечие рычаги, передающие усилие на стержни клапанов. На одном конце коромысла ввернут регулировочный винт с контровочной гайкой, предназначенный для регулировки зазора в газораспределительном механизме. На ряде двигателей вместо регулировочного винта применяется эксцентрик. Распределительный вал имеет кулачки, приводящие в действие впускные и выпускные клапаны. Открытие клапана определяется высотой кулачка, а длительность открытия фаза зависит от профиля кулачка. Число кулачков равно числу клапанов, а их взаимное расположение определяется порядком работы цилиндров. При верхнем расположении распределительного вала в его теле рассверливается канал, по которому масло подается к подшипникам и кулачкам. Все большее распространение получают системы регулирования фаз газораспределения с помощью ступенчатого изменения высоты подъема клапанов (избирательного открытия впуска топливной смеси). Такие системы позволяют повысить экономичность расхода топлива. Например, на двигателе объемом 3,6 л автомобиля Porsche используется устройство регулирования хода 52

54 ки. По вязкости моторные масла разделяют на классы, для каждого из которых рекомендуется определенный температурный диапазон применения. Практически, обычно масла делят на зимние, обладающие малой вязкостью, летние, имеющие высокую вязкость, и всесезонные, вязкость которых имеет свойства, удовлетворяющие работу двигателя как в летних, так и в зимних условиях. В двигателях применяют моторные масла марок М-8В 2, М-10В 1, М-10Г 2 и др. В обозначениях масел буква М обозначает моторное масло, цифра 8 или 10 указывает вязкость масла в сантистоксах (сст) при 100 С. Вязкость масла одна из основных его характеристик, так как от нее зависит режим смазывания трущихся деталей и механические потери на трение. Цифра в марке масла показывает, во сколько раз вязкость масла больше вязкости воды. Более вязкие масла применяют летом. Буквы В, Г или Б (всего шесть групп по классификации масел) означают: Б для малофорсированных двигателей, В для среднефорсированных, Г для высокофорсированных (т. е. для двигателей с различными степенями сжатия). Индексы 1 или 2 указывают, что масло применяют соответственно в бензиновых двигателях или дизелях. Другие буквы и цифры, добавляемые к марке, обозначают вид присадки. Рассмотрим маркировку широко используемого гостированного всесезонного моторного масла. Всесезонные масла имеют двойное обозначение: первая цифра указывает на зимний класс, вторая на летний. Цифры ниже, при указанном классе, обозначают загущенность масла присадками. Например, масло марки М-6 з /12-Е 1 Д 2. Расшифровывается следующим образом: «М» масло моторное; 6 вязкость зимнего класса (для зимнего класса применяют цифры от 6 и ниже, для летнего класса цифры выше 6); 12 вязкость летнего класса; буква в индексе при 6 показывает наличие присадок; буквы «Е» и «Д» указывают уровень эксплуатационных свойств (свойства масел улучшаются от «А» к «Е»); цифры при буквах: 1 для бензиновых двигателей, 2 для дизелей. Отсутствие цифр при буквах означает, что масло пригодно для использования в обоих типах двигателей. В обозначении эксплуатационных свойств масла может быть указана как одна, так и две буквы. Если проставлены две буквы, то численный индекс первой указывает на тип двигателя, для которого данное масло предпочтительнее. Основной недостаток минеральных масел значительное изменение вязкости от температуры (чем ниже температура, тем больше вязкость масла). Вязкость синтетических масел меньше зависит от температуры. При эксплуатации отечественных и зарубежных автомобилей необходимо использовать для двигателя 54

56 кости универсальных сортов: на этикетке после букв SAE сначала следует зимний показатель именно так масло ведет себя на холоде, а затем летний такова вязкость масла при температуре 100 С. Между двумя обозначениями ставят черточку или знак дроби (например, 15W-40). Примерное соответствие некоторых классов всесезонных масел по отечественному обозначению и SAE представлено ниже: 56 Россия... 3 з /8 4 з /6; 4 з /8 4 з /10 5 з /10; 5 з /12 6 з / з /14-16 SAE... 5W-20 10W-20 10W-30 15W-30 15W-40 20W-40 Для современных двигателей применяют минеральные HDмасла, которые представляют собой легированные масла, свойства которых существенно улучшены путем введения различных химических материалов. Эти добавки повышают коррозионную защиту двигателя, замедляют процесс окисления масла, препятствуют образованию шлама в картере коленчатого вала, способствуют поддержанию стабильной вязкости, обладают очищающими и растворяющими свойствами. Качество моторного масла HD определяется системой АРI (API: American Petroleum Institute). Обозначение содержит две буквы. Первая буква указывает область применения масла: S Service (масло предназначено для бензиновых двигателей); С Commercial (для дизельных двигателей). Вторая буква характеризует качество масле в порядке алфавита. Высшее качество согласно API имеет масло с обозначением SH, предназначенное для бензиновых двигателей, и CD для дизелей. Внимание: масло CD нельзя применять для бензиновых двигателей. Есть масла, которые одновременно можно применять как для дизелей, так и для бензиновых двигателей. В этом случае в обозначении масла содержатся обе пары букв (например, SF/CD). Европейские изготовители масел поставляют масла с обозначением ССМС. Масла для бензиновых двигателей в зависимости от их качества имеют обозначения от CCMC-G1 до ССМС-G5. Для дизелей легковых автомобилей применяют масло ССМС-PD1 и масло высокого качества CCMC-PD2. В зависимости от способа подачи масла к трущимся поверхностям различают смазочные системы разбрызгиванием, под давлением и комбинированную. У автомобильных двигателей применяется комбинированная смазочная система: под давлением от специального насоса и разбрызгиванием. Наиболее нагруженные детали (коренные и шатунные подшипники, подшипники распределительного вала, коромысла клапанов, подшипники валов при-

58 Рис Схема смазочной системы двигателя: 1 масляный насос; 2 перепускной клапан; 3 главная масляная магистраль; 4 коленчатый вал; 5 гидравлический толкатель; 6 распределительный вал; 7 сигнализатор давления; 8 датчик давления масла; 9 масляные каналы в коленчатом валу; 10 полнопоточный масляный фильтр; 11 предохранительный (редукционный) клапан; 12 маслоприемник с фильтром грубой очистки масла; 13 поддон картера; 14 пробка для слива масла на на валу, шлицами связанного с шестерней или шкивом привода масляного насоса. Большое количество легковых автомобилей имеют в масляной системе насос с внутренним трохоидальным зацеплением, позволяющим повысить КПД и произ водительность насоса по сравнению с эвольвентным зацеплением шестерен. Такие насосы в масляной системе имеют автомобили ВАЗ, «Дэу Нексия», ряд автомобилей японского производства и др. Все масляные насосы имеют предохранительный (редукционный) клапан, обеспечивающий защиту масляной системы от повышения давления при увеличении частоты вращения коленчатого вала. При превышении давления, заданного конструкторской документацией, редукционный клапан открывается, преодолевая сопротивление пружины, и часть масла возвращается во впускную полость насоса, тем самым снижая давление в системе. При нормальных частотах вращения коленчатого вала 58

60 сферу. Такая система называется закрытой. Картерные газы удаляются во впускной тракт или в задроссельное пространство, используя при этом разрежение на срезе эжекционной трубки, обтекаемой потоком всасываемого воздуха. На ряде двигателей на пути картерных газов устанавливают маслоотражатель. Для удаления газов в задроссельное пространство в системе вентиляции применяют специальные устройства, регулирующие интенсивность отсоса: например, на двигателях автомобилей ВАЗ отсос картерных газов в смесительную камеру регулируется с помощью специального золотника, расположенного на оси дроссельных заслонок карбюратора; на двигателе автомобиля «Дэу Нексия» регулировку осуществляет клапан вентиляции картера, сечение которого для прохода картерных газов увеличивается при небольшом разрежении во впускном трубопроводе и уменьшается при высоком разрежении. Такая система позволяет поддерживать устойчивые обороты холостого хода двигателя, когда закрыта дроссельная заслонка поступление картерных газов во впускной трубопровод уменьшается. При увеличении количества картерных газов часть их отводится по вентиляционному шлангу в воздухоочиститель. Например, на двигателях переднеприводных автомобилей ВАЗ картерные газы по вытяжному шлангу поступают в специальную камеру очистителя, где происходит отделение от газов масла. При этом газы в одном случае поступают в задроссельное пространство через карбюратор, а в другом по шлангу в воздушный фильтр, минуя фильтрующий элемент. Вентиляция дизеля автомобиля «Форд» осуществляется через калиброванные отверстия в специальной трубке на впускном коллекторе, а вентиляция бензиновых двигателей может производиться через клапан, установленный в нижней части воздушного фильтра, или через вентиляционный клапан, установленный на корпусе кривошипно-шатунного механизма и соединенный шлангом с впускным коллектором Система охлаждения двигателя Система охлаждения представляет собой совокупность устройств, обеспечивающих отвод теплоты от нагретых деталей двигателя и поддерживающих требуемый температурный режим для его нормальной работы. Перегрев двигателя вызывает потерю мощности из-за ухудшения наполнения цилиндров рабочей смесью, возникновения преждевременного самовоспламенения смеси, повышение износа деталей за счет выгорания масла между

62 Рис Система охлаждения двигателя: 1 двигатель; 2 жидкостный насос; 3 радиатор (теплообменник); 4 пробка; 5 расширительный (компенсационный) бачок; 6 термостат; 7 термочувствительный элемент; 8, 9 соответственно перепускной и основной клапан; 10 головка цилиндров; 11 радиатор отопительной системы салона; 12 кран отопителя; 13 датчик температуры охлаждающей жидкости; 14 блок цилиндров («рубашка» двигателя) ширительный бачок, постоянно соединенный с радиатором. Он служит также для предотвращения образования паровых пробок. Жидкостные системы охлаждения двигателя, применяемые на легковых автомобилях, по своим функциональным схемам аналогичны и имеют идентичные элементы конструкции. Жидкостный насос приводится во вращение от коленчатого вала двигателя и создает в системе циркуляцию жидкости. Система имеет два круга циркуляции жидкости: малый, движение жидкости по которому ограничивается «рубашкой» двигателя и насосом, и большой круг, включающий в себя движение жидкости и через радиатор. На ряде двигателей используется так называемая закрытая система охлаждения, у которой может отсутствовать на радиаторе наливная горловина. В такой системе образуется избыточное давление, которое обуславливает повышение температуры кипения жидкости до C, что, в свою очередь, снижает возможность появления в жидкости пузырьков воздуха и пара и повышает эффективность охлаждения. 62

64 щают в патрубке или канале, соединяющем радиатор с «рубашкой охлаждения». При низкой температуре двигателя (температура охлаждающей жидкости ниже 70 С), что бывает в период пуска, клапан термостата закрыт и жидкость направляется из охлаждающих полостей двигателя к насосу. Этим достигается быстрый прогрев двигателя. При повышении температуры жидкости термостат начинает открываться и поток жидкости поступает в радиатор, где жидкость проходит по большому количеству трубок и в результате интенсивного теплообмена с окружающей средой охлаждается и возвращается во всасывающую полость насоса. Чем выше температура жидкости в «рубашке», тем больше степень открытия клапана термостата и тем больше жидкости поступает в радиатор. Таким образом поддерживается требуемый температурный режим работы двигателя, при этом температура охлаждающей жидкости находится в диапазоне C. Термостат может быть одно- и двухклапанным с жидкостным или твердого наполнения термосиловым элементом. Термостат, представленный на рис. 1.8, двухклапанный, неразборный с твердым термосиловым элементом. Твердый наполнитель церезин (кристаллический воск) обладает большим коэффициентом теплового расширения. Внутри воскового наполнителя имеется резиновая вставка со стержнем. Стержень закреплен в стойке основного клапана, который прижимается пружиной к седлу. На стойке основного клапана установлен дополнительный (перепускной) клапан с пружиной. Термостат имеет два входных, выходной и дополнительный патрубки. При температуре охлаждающей жидкости ниже С основной клапан закрыт, а перепускной открыт, поэтому жидкость будет циркулировать по малому кругу: от центробежного насоса в головку цилиндров и блок-картер двигателя. По мере нагрева охлаждающей жидкости воск в термостате плавится и, расширяясь, перемещает основной и перепускной клапаны. При этом основной клапан отходит от седла, давая возможность жидкости поступать в радиатор, а перепускной клапан перекрывает трубопровод, обеспечивая таким образом циркуляцию жидкости по большому кругу. Система охлаждения имеет трубопроводы подвода жидкости к впускному патрубку системы питания топливом для подогрева горючей смеси и к системе отопления салона. Радиатор основной теплообменный аппарат, обеспечивающий отвод теплоты от жидкости. Радиатор состоит из входного и выходного коллекторов и сердцевины, которая представляет собой набор нескольких рядов трубок (пластины или соты) из меди, 64

66 Карбюраторная система приготовления горючей смеси. Наиболее широкое распространение получили поплавковые всасывающие карбюраторы, работа которых основана на всасывании топлива и воздуха при разрежении, возникающем в цилиндре при первом такте впуске. При этом в карбюраторе приготавливается топливовоздушная смесь в определенной пропорции, зависящей от режима работы двигателя. Пропорция бензина и воздуха в топливной смеси оценивается коэффициентом избытка воздуха α, представляющим собой отношение действительного количества воздуха в смеси, содержащей 1 кг топлива, к теоретически необходимому его количеству для обеспечения полного сгорания. Для нормальной смеси α = 1 (на 1 кг бензина приходится 15 кг воздуха, теоретически необходимого для полного сгорания бензина). При большем количестве воздуха смесь может быть обедненной α = 1,1 1,15 и бедной α 1,2 (воздуха более 17 кг); при количестве воздуха в смеси менее 15 кг на 1 кг топлива смесь будет обогащенной α 0,85 0,9 или богатой α 0,9 (воздуха менее 13 кг). Смеси с α > 1,4 переобедненные и с α < 0,4 переобогащенные утрачивают способность к воспламенению от электрической искры. Наилучшим составом смеси, обеспечивающим ее быстрое сгорание и позволяющим развить двигателю максимальную мощность, является смесь с α = 0,8 0,9. Наибольшая экономичность работы двигателя достигается при работе на обедненной смеси с α = 1,1. При работе двигателя на обогащенной смеси обеспечивается пуск двигателя, а при движении двигатель может развить наибольшую мощность. Однако в таких случаях значительно увеличивается расход топлива. При работе на богатой смеси топливо сгорает не полностью, мощность двигателя снижается, а расход топлива увеличивается. При работе двигателя на бедной смеси будет наблюдаться также падение мощности, а работа двигателя будет неустойчивой. Топливные баки автомобилей с бензиновыми двигателями и дизелями существенных отличий не имеют. Для увеличения жесткости бака и уменьшения колебаний в нем топлива при движении автомобиля внутри бака размещены перегородки. Все баки имеют дренажные системы, обеспечивающие связь с атмосферой и выпуск паров топлива при высокой температуре. Баки оборудованы системой контроля топлива поплавкового типа. Большое распространение на легковых автомобилях получили устройства в топливной системе, предотвращающие выход паров бензина в атмосферу. На отечественных автомобилях установлен 66

68 вой элемент (при пониженных температурах) устанавливает заслонку в положение, обеспечивающее забор подогретого воздуха из зоны выпускного трубопровода двигателя, при повышении температуры окружающей среды заслонка устанавливается в положение, при котором воздух в двигатель поступает непосредственно из внешней среды. В корпусе воздухоочистителя имеются специальные каналы для отсоса картерных газов системы вентиляции двигателя. Карбюратор прибор, в котором происходит образование горючей смеси необходимого состава для обеспечения работы двигателя на том или ином режиме работы. Наибольшее применение на всех легковых автомобилях нашли карбюраторы эмульсионного типа с падающим потоком, одно- или двухкамерные с последовательным открытием дроссельных заслонок. Карбюраторы, устанавливаемые на автомобилях, отличаются отдельными параметрами, обусловленными рабочим объемом двигателя и некоторыми техническими элементами, вводимыми для повышения экономических и экологических характеристик двигателя. В основе, карбюратор состоит из одной или двух смесительных камер, большого количества каналов с калиброванными отверстиями (жиклерами), по которым подается топливо и воздух, поплавковой камеры и специальных устройств, управляющих изменением состава смеси в зависимости от режима работы двигателя. Конструкцию и работу карбюратора можно рассмотреть на примере моделей типа «Солекс», «Озон» или «Вебер», практически имеющих системы аналогичного функционального назначения. Карбюратор расположен на впускном трубопроводе, через его смесительные камеры (в зависимости от степени открытия дроссельных заслонок, отделяющих смесительные камеры от впускного трубопровода) подается горючая смесь определенной концентрации. Чем больше открыты дроссельные заслонки, тем больше нагрузка двигателя при одной и той же частоте вращения коленчатого вала. Первая камера двухкамерного карбюратора с последовательным открытием дроссельных заслонок обеспечивает работу двигателя на малых и средних нагрузочных характеристиках с экономичным режимом расхода топлива и малой токсичностью отработавших газов. Вторая камера работает совместно с первой, обеспечивая работу двигателя на максимальной мощности. Для приготовления различного состава горючей смеси карбюратор имеет две главные дозирующие системы, переходную систему и систему холостого хода с электромагнитным запорным клапаном 68

70 Система холостого хода приготавливает обогащенную горючую смесь для обеспечения устойчивой работы двигателя на малых оборотах при закрытой дроссельной заслонке. Под действием разрежения под дроссельной заслонкой первой камеры топливо из поплавковой камеры поступает по каналу к топливному жиклеру, а воздух поступает через жиклер. Образовавшаяся эмульсия по каналу подается под дроссельную заслонку, дополнительно подсасывая воздух через щели между дроссельной заслонкой и корпусом смесительной камеры. Качество (состав) и количество подаваемой смеси регулируется винтами на корпусе карбюратора. При начале движения дроссельная заслонка открывается, разрежение под ней падает и подача смеси по дополнительному каналу прекращается. При выключении зажигания электромагнитный клапан, устанавливаемый на карбюраторах, перекрывает иглой жиклер канала и исключает работу системы холостого хода при выключенном зажигании. Переходные системы первой и второй камер обеспечивают плавный переход в момент открытия дроссельной заслонки первой камеры и при подключении второй. Экономайзер принудительного холостого хода отключает систему холостого хода во время торможения двигателем, движения под уклон и при переключении передач. На двигателях ряда автомобилей эта система имеет электронный блок управления, концевой выключатель, приводимый в действие рычагом привода дроссельной заслонки, и электромагнитный клапан с запорной иглой, перекрывающей жиклер подачи топлива в систему холостого хода. В электронный блок поступает информация о положении дроссельной заслонки и частоте вращения коленчатого вала. Электронный блок в зависимости от частотного диапазона вращения коленчатого вала подает сигнал на электромагнитный клапан, перекрывающий подачу топлива в систему холостого хода при увеличении оборотов и возобновляющий подачу топлива при оборотах ниже заданных. Таким образом поддерживается определенный частотный диапазон вращения коленчатого вала. Пусковое устройство обеспечивает приготовление богатой горючей смеси при пуске холодного двигателя. Для пуска двигателя используется воздушная заслонка, установленная на входном патрубке первой камеры карбюратора. При пуске двигателя перекрывается доступ воздуха в смесительную камеру через входной патрубок, разрежение в смесительной камере резко возрастает, дроссельная заслонка приоткрывается и обеспечивается подача смеси из систем главной дозирующей и холостого хода. При по- 70

72 плива позволяют более равномерно распределять состав смеси по цилиндрам, что повышает экономичность двигателя. Отсутствие карбюратора уменьшает сопротивление впуска топливной смеси, в результате чего улучшается наполнение цилиндров и соответственно повышается мощность двигателя. Обеспечивается более точная пропорция воздуха и топлива в составе смеси и корректировка этого состава в зависимости от режима работы двигателя. Достигается уменьшение содержания вредных примесей в отработавших газах. Учитывая, что системы с впрыском топлива построены с обязательным применением электронного управления, эти системы получили название электронных топливных систем. Основное назначение электронных топливных систем управление мощностью двигателя и обеспечение возможности создания наиболее оптимального рабочего процесса и режима работы двигателя. Электронные топливные системы различают по уровню давления топлива, подаваемого во впускные каналы цилиндров: низкого давления (0,2 1,0 МПа) для подачи легких жидких топлив и газов, среднего (5 20 МПа) и высокого (более 50 МПа). Топливные системы среднего и высокого давлений в своем составе имеют магистрали как низкого, так и высокого давлений. Отличительный признак топливных систем среднего и высокого давлений помимо подкачивающих насосов низкого давления, обязательным должно быть наличие топливного насоса высокого давления. В большегрузных тяжелых автотранспортных средствах находят применение электромеханические и электропневматические насосы-форсунки с встроенными в них поршневыми устройствами, создающими высокое давление впрыскиваемого в цилиндры двигателя топлива. Топливная система низкого давления фирмы «Бош» (Bosch) для бензиновых двигателей с электромагнитными форсунками получила наиболее широкое применение на отечественных и зарубежных легковых автомобилях. В таких системах для исключения попадания воздуха в топливную магистраль обязательно наличие гидравлического аккумулятора или рампы, на которой установлены форсунки впрыска топлива. Топливо должно находиться постоянно под небольшим давлением независимо от состояния двигателя (работает или не работает). В двигателях с распределенным впрыском топлива применяются два вида впрыска: одновременное впрыскивание топлива всеми форсунками и фазированное впрыскивание, при котором каждая форсунка подает топливо в определенной фазе цикла работы дви- 72

74 тающем двигателе. Наличие в системе обратного клапана позволяет сохранять остаточное давление в рампе и после выключения насоса, что обеспечивает надежный пуск двигателя при любой температуре окружающей среды. В системах впрыска топлива используют микропроцессорные устройства, управляющие подачей топлива во впускной трубопровод и устанавливающие угол опережения зажигания. Анализ режима работы двигателя осуществляется микроэвм, где полученные данные сравниваются с записанными в блоке памяти. На основании сравнения информации, поступившей от двигателя и заложенной в памяти ЭВМ, вырабатывается сигнал на корректировку состава смеси в зависимости от режима работы двигателя и установку угла опережения зажигания. Для определения режима работы двигателя и подачи соответствующей информации в управляющее устройство на отдельных системах двигателя и элементах системы подачи топлива устанавливают специальные датчики. Такие датчики являются преобразователями величин различных параметров работы двигателя в электрические импульсы. В электронный блок управления (ЭБУ) поступает информация: о положении и частоте вращения коленчатого вала; массовом расходе воздуха двигателем; температуре охлаждающей жидкости; положении дроссельной заслонки; содержании кислорода в отработавших газах (в системе с обратной связью); наличии детонации в двигателе; напряжении в бортовой сети автомобиля; скорости автомобиля; запросе на включение кондиционера (если он установлен на автомобиле). На основе полученной информации ЭБУ управляет следующими системами и приборами: топливоподачей (форсунками и электробензонасосом); системой зажигания; регулятором холостого хода; адсорбером системы улавливания паров бензина (если эта система есть на автомобиле); вентилятором системы охлаждения двигателя; муфтой компрессора кондиционера (если он установлен на автомобиле); системой диагностики. 74

76 Рис Система управления впрыском топлива: 1 воздушный фильтр; 2 датчик массового расхода воздуха; 3 шланг впускной трубы; 4 шланг подвода охлаждающей жидкости; 5 дроссельный патрубок; 6 регулятор холостого хода; 7 датчик положения дроссельной заслонки; 8 канал подогрева системы холостого хода; 9 ресивер; 10 шланг регулятора давления; 11 электронный блок управления; 12 реле включения электробензонасоса; 13 топливный фильтр; 14 топливный бак; 15 электробензонасос с датчиком уровня топлива; 16 сливной топливопровод; 17 подающая магистраль; 18 регулятор давления; 19 впускная труба; 20 рампа форсунок; 21 форсунка; 22 датчик скорости; 23 датчик концентрации кислорода; 24 газоприемник; 25 коробка передач; 26 головка цилиндров; 27 выпускной патрубок системы охлаждения; 28 датчик температуры охлаждающей жидкости; А выход к насосу охлаждающей жидкости формации. Микропроцессор может по мере необходимости вносить в него данные или считывать их. Микросхема оперативного запоминающего устройства смонтирована на печатной плате ЭБУ. Эта память энергозависима и требует бесперебойного питания для сохранения. В постоянном запоминающем устройстве находится общая программа, в которой содержится последовательность рабочих команд (алгоритмы управления) и различная калибровочная информация. Эта информация представляет собой данные управления впрыском, зажиганием, холостым ходом и т. п., которые зависят от массы автомобиля, типа и мощности двигателя, передаточных отношений трансмиссии и других факторов. Одна из важных задач в системах с впрыском топлива контроль за сгоранием топливовоздушной смеси. Состав смеси регу- 76

78 Рис Электромагнитная форсунка: 1 наконечник; 2 клапан; 3 седло; 4 пружина; 5 электромагнит; 6 контакт; 7 фильтр ном трубопроводе. В корпусе регулятора имеются две полости топливная и вакуумная, разделенные диафрагмой, и подпружиненный клапан, соединенный с упругой диафрагмой и поджатый к седлу в корпусе регулятора. На диафрагму с одной стороны воздействует давление топлива в рампе, с другой разрежение во впускном трубопроводе. При увеличении разрежения во время прикрытия дроссельной заслонки клапан открывается, излишки топлива сливаются по сливному трубопроводу обратно в бак, а давление в рампе уменьшается. На работающем двигателе регулятор поддерживает давление в рампе форсунок в пределах 0,284 0,325 МПа. Наиболее распространенные системы впрыска топлива. На зарубежных легковых автомобилях нашли применение различные системы впрыска топлива. Рассмотрим некоторые из них. Система впрыска топлива «К-Джетроник» фирмы «Бош» имеет простые форсунки без электромагнитного клапана, обеспечивающие непрерывное распыление топлива, поступающего под давлением на тарелки клапанов. Давление топлива (расход) зависит от разрежения во впускном трубопроводе и температуры охлаждающей жидкости. Для обеспечения необходимого состава горючей смеси в системе количество подводимого воздуха дозируется расходомером, а количество впрыскиваемого топлива дозаторомраспределителем. В отличие от карбюраторных двигателей, где дроссельная заслонка, управляемая водителем, регулирует количество подаваемой в цилиндр топливовоздушной смеси, в системе впрыска топлива дроссельная заслонка регулирует только количество подаваемого чистого воздуха. 78

80 новившимся (переходным) режимам работы двигателя и снижает потери напора на впуске в цилиндры. Для улучшения работы двигателя на холостом ходу введена отдельная система подачи топлива с выходными отверстиями по обе стороны от дроссельной заслонки. Системы «Мотроник» (имеется несколько разновидностей) обеспечивают одновременное управление впрыском топлива и зажиганием. Совместная оптимизация процессов смесеобразования и зажигания способствует улучшению рабочих характеристик двигателя, повышению экономичности, облегчению пуска холодного двигателя и снижению токсичности отработавших газов. Впрыск топлива осуществляется одной электромагнитной форсункой периодически в полость над дроссельной заслонкой, где топливо смешивается с воздухом. МикроЭВМ рассчитывает требуемое количество впрыскиваемого топлива и момент зажигания в зависимости от положения дроссельной заслонки и частоты вращения коленчатого вала, а также температуры охлаждающей жид- Рис Система «Моно-Джетроник»: 1 измеритель расхода воздуха; 2 регулятор давления топлива; 3 форсунка; 4 устройство для подогрева; 5 ЭБУ; 6 устройство для подачи дополнительного воздуха; 7 управление дроссельной заслонкой; 8 фильтр топлива; 9 подкачивающий насос с электроприводом; 10 датчик температуры охлаждающей жидкости 80

82 Системы питания дизелей Особенности смесеобразования дизелей. Дизельное топливо представляет собой смесь углеводородов с температурой кипения С. Дизельное топливо впрыскивается в сжатый и нагретый в цилиндре двигателя воздух с температурой С. Впрыснутое топливо должно хорошо распылиться, частично испариться и самовоспламениться при соединении с горячим воздухом. Самовоспламенение топлива происходит за очень короткий временной промежуток (0,002 0,003 с), называемый периодом задержки самовоспламенения. Дизельное топливо характеризуется цетановым числом (ЦЧ), которое определяет длительность периода самовоспламенения. Чем больше цетановое число, тем меньше период задержки самовоспламенения. При ЦЧ менее 40 топливо быстро прогревается и воспламенение носит взрывной характер, работа двигателя называется «жесткой». При ЦЧ более 55 топливо не успевает полностью прогреться, давление в цилиндре нарастает плавно, но ухудшается процесс смесеобразования, что приводит к неполному сгоранию топлива и повышению дымности отработавших газов. Такой режим работы двигателя называется «мягким» и сопровождается падением мощности и экономичности двигателя. Для дизелей применяют дизельное топливо, отличающееся от бензина фракционным составом и вязкостью. Вязкость дизельного топлива находится в пределах 1,5 6,0 сст, бензинового 0,52 0,6 сст. Дизельное топливо характеризуется легкостью воспламенения при соприкосновении с горячим воздухом, что и используется в основе работы дизельного двигателя. В дизелях, в отличие от бензиновых двигателей, горючая смесь (воздух и дизельное топливо) образуется внутри цилиндра и самовоспламеняется. Таким образом, для обеспечения нормальной работы дизеля необходимо подать в цилиндр очищенный воздух, сжать его до 5 10 МПа и впрыснуть в сжатый воздух распыленную струю топлива. Для преодоления давления воздуха в конце хода сжатия топливо должно впрыскиваться под большим давлением, превосходящим давление сжатого воздуха в несколько раз. Высокое давление подаваемого в цилиндр топлива необходимо еще и потому, что для получения в цилиндре качественной смеси (быстро и полностью сгораемой) требуется топливо хорошо распылить, что достигается только при высокой скорости впрыскивания смеси специальными форсунками. Поэтому в дизелях применяют насосы высокого давления (порядка МПа), позволяю-

84 нии и низком максимальном давлении, а также меньшая шумность. Управление топливными системами может обеспечиваться как традиционными механическими устройствами, так и электронными, которые в настоящее время находят большое распространение на легковом автотранспорте. В системе разделенного типа топливо с помощью топливоподкачивающего насоса низкого давления (0,05 0,15 МПа) подается через фильтры грубой и тонкой очистки в ТНВД, который обеспечивает дозирование топлива в зависимости от режима работы двигателя. От ТНВД топливо под высоким давлением (по линии высокого давления) подается в форсунки и далее впрыскивается в надпоршневое пространство цилиндра двигателя. Избыток топлива, образуемый при дозировании, сливается в бак по отводному топливопроводу из ТНВД и форсунки. С появлением электронных систем управления работой двигателя получают распространение на автотранспорте с дизелями и аккумуляторные системы топливоподачи. Рассмотрим устройство топливной системы высокого давления с электроуправляемыми форсунками фирмы «Бош» (рис. 1.15). Подкачивающий насос подает топливо из топливного бака через фильтр в ТНВД. Часть топлива идет на охлаждение насоса, а большая часть топлива под давлением ( МПа) подается в гидравлический аккумулятор (рампу). Аккумуляторный узел представляет собой трубу с поперечно расположенными штуцерами для подсоединением форсунок и выполняется двухслойным (внутренний слой изготовлен из химически инертного материала). Требуемое давление в аккумуляторе поддерживается регулятором давления с датчиком давления. Аккумулятор короткими топливопроводами соединен с электрогидроуправляемыми форсунками. Управление процессом впрыскивания форсунками осуществляется от электронной системы управления с электронным блоком и датчиком режимных параметров. Электронный блок управления получает электрические сигналы от следующих датчиков: положения коленчатого вала; положения распределительного вала; перемещения педали «газа»; давления наддува; температуры воздуха; температуры охлаждающей жидкости; массового расхода воздуха; давления топлива в аккумуляторном узле. Поскольку в аккумуляторном узле топливо находится при постоянном и высоком давлении, то возможно осуществлять впрыск небольшими и точно отмеренными порциями, а также выполнять впрыск предварительной подачи порции топлива перед основной, что позволяет значительно улучшить процесс сгорания. 84

86 щего импульса на форсунки. Управление опережением и продолжительностью впрыскивания осуществляется изменением фазы и длительности электрического импульса, подаваемого ЭБУ (контроллером). Фаза управляющих импульсов устанавливается в зависимости от сигналов датчиков положения коленчатого и распределительного валов. Давление в аккумуляторе поддерживается оптимальным для каждого режима работы двигателя автоматическим регулятором, программа работы которого зависит от производительности ТНВД и заложена в микропроцессоре. Регулятор по информации, полученной от датчика давления, поддерживает заданное давление путем сброса части топлива из магистрали высокого давления через исполнительный электромагнитный клапан. Защита от потери герметичности в каналах подачи топлива в цилиндры и нарушения подачи форсунок из-за возможного зависания иглы, управляющего клапана, обрыва трубопроводов, раскрытия стыков и т. п., а также ограничение расхода топлива при задержках закрытия иглы и управляющего клапана осуществляется ограничителями подачи топлива. При чрезмерном расходе или большой продолжительности расхода топлива клапан полностью закрывается. В исходное положение клапан возвращается только после стравливания давления в аккумуляторе, т. е. после остановки двигателя. В последнее время получает распространение системы топливоподачи с насосами-форсунками. Эти системы отличаются наименьшими объемами полостей сжатия, что обеспечивает наиболее высокий уровень давлений впрыскивания по сравнению с другими системами топливоподачи. В этом случае давление впрыскивания поднимается до 190 МПа. Основой насоса-форсунки является насос высокого давления, состоящий из плунжера с дифференциальным поршнем, имеющих определенное соотношение площадей рабочих поверхностей, что позволяет обеспечить в форсунке высокое давление впрыскивания. Такое устройство в ряде случаев называется мультипликатором. Система имеет насос среднего давления, соединенный с аккумулятором среднего давления. Насос и аккумулятор управляются микроконтроллером и выполняют функции гидропривода мультипликатора. Среднее давление подается электромагнитным клапаном на поршень мультипликатора, под которым создается высокое давление, передаваемое на форсунку с пружинным или пружинно-гидравлическим запиранием. При выключении электромагнита камера над поршнем мультипликатора переключается управляющим клапаном на слив. Среднее давление из аккумулятора 86

88 ствуют интенсивному смесеобразованию. Вихревая камера соединена с основной камерой сгорания тангенциальным каналом, обеспечивающим сильное вихревое движение заряда. Топливо, впрыскиваемое в вихревую камеру из форсунки, распределяется по объему камеры потоком завихряющегося воздуха, а затем топливовоздушная смесь поступает в основную камеру сгорания. Применение предкамерного и вихрекамерного смесеобразования в двигателях позволяет использовать топливную аппаратуру с небольшим давлением впрыскивания порядка МПа. Это важно для дизелей автомобилей с небольшим рабочим объемом цилиндров, что позволяет использовать форсунки со штифтовыми распылителями, образующими только один факел. Конструкция форсунки и параметры струи распыливаемого топлива подбирают с учетом конструктивных размеров камеры и скоростей движущегося в ней воздуха. Дизели с разделенными камерами сгорания обеспечивают достаточно полное сгорание топлива при низком коэффициенте избытка воздуха α = 1,2 1,3. Отличительной особенностью разделенных камер сгорания является обеспечение более мягкого сгорания топлива в основной камере при небольших скоростях нарастания давления и низком максимальном давлении сгорания. Кроме того, такие двигатели имеют меньшую шумность работы и низкий расход топлива по сравнению с дизелями с непосредственным впрыском, т. е. с неразделенными камерами сгорания. При применении неразделенной камеры осуществляется объемное смесеобразование, при котором топливо впрыскивается непосредственно во впадину поршня. Насос при этом впрыскивает топливо двумя ступенями. Сначала производится предварительный впрыск небольшого количества топлива в цилиндр через многоструйную форсунку, что подготавливает и улучшает ситуацию для впрыска основной части топлива. В итоге процесс сгорания протекает более мягко. Регулирование количества топлива производится электронным блоком управления. Достоинства этого способа впрыска заключаются в меньшем расходе топлива и более высокой мощности двигателя. Для работы блока управления установлены следующие датчики: положения педали «газа»; частоты вращения вала двигателя; перемещения иглы форсунки (определяется начало впрыска и регулируется момент впрыска в зависимости от частоты вращения и нагрузки двигателя); давления наддува; температуры воздуха наддува; температуры охлаждающей жидкости; температуры топлива; положения регулирующей заслонки. Сигнал датчика (потенциометра) положения заслонки слу- 88

90 В системе подачи топлива и смесеобразования основными устройствами являются ТНВД и форсунка, обеспечивающие дозирование топлива, своевременный впрыск его в цилиндры и распыление в сжатом воздухе. Система подачи топлива в дизелях имеет две магистрали: низкого давления (до впускной полости ТНВД) и высокого давления (от ТНВД к форсунке). Поэтому в системе применяются два насоса, один из которых (низкого давления) обеспечивает подкачку топлива во впускную полость ТНВД с давлением, не превосходящим 0,2 МПа. Подкачивающие насосы могут быть плунжерного, лопастного типа, а устанавливаться раздельно с ТНВД или в одном корпусе. Топливные насосы высокого давления. Различают ТНВД золотникового и распределительного типов. Наибольшее распространение получили топливные насосы распределительного типа (рис. 1.16), отличающиеся простотой конструкции и регулировок. Характерная их особенность заключается в том, что каждая плунжерная пара обслуживает не один, а одновременно несколько цилиндров двигателя. Плунжер в топливном насосе распределительного типа совершает сложное движение: возвратно-поступательное (насосное действие) совмещается с вращательным движением относительно собственной оси (распределительное действие). Движение плунжера вниз (ход всасывания) осуществляется силой пружины 11, действующей через толкатель 12 на плунжер 1. Обратное движение плунжера (ход нагнетания) происходит под воздействием кулачка 13 через толкатель 12, при этом пружина 11 сжимается. Вращательное движение плунжер получает от кулач- Рис Схема работы топливного насоса высокого давления распределительного типа: 1 плунжер; 2 дозатор; 3 распределительный паз; 4 нагнетательный канал; 5 впускной канал; 6 гильза; 7 центральный канал плунжера; 8 отсечный паз плунжера; 9 зубчатая втулка; 10 соединение плунжера с зубчатой втулкой; 11 пружина; 12 толкатель; 13 кулачок; 14 кулачковый вал 90

92 рых наиболее известна фирма «Бош», производящая системы «Коммон Рэйл» (Common-Rail). Эта аппаратура широко применяется на легковых автомобилях. Подобные системы создаются в США и в Японии. В системе топливоподачи «Коммон Рэйл» ТНВД выполнен с несколькими плунжерами и обеспечивает поддержание в аккумуляторе давления на уровне 140 МПа. Регулирование производительности насоса при эксплуатации осуществляется выключением одной из секций ТНВД. Турбокомпрессор. Один из способов повышения мощности ДВС увеличение количества воздуха, поступающего в цилиндры. Такая подача воздуха в двигатель называется наддувом. В настоящее время зарубежными фирмами производится до 90 % двигателей с наддувом от общего объема выпускаемых двигателей. Наибольшее распространение получил турбонаддув, при котором компрессор приводится в действие турбиной, работающей на отработавших газах. В турбокомпрессоре применяют центробежные насосы. Под действием центробежных сил, вызванных вращением лопаток колеса, в центре насоса создается разрежение, под действием которого всасывается воздух. Эффективность работы турбокомпрессора обеспечивается высокой частотой вращения колеса компрессора не менее (50 100) 10 3 мин 1. При работе ДВС из выпускного трубопровода под давлением выбрасываются отработавшие газы. Поток газов приводит во вращение колесо турбины и вместе с ним колесо компрессора, имеющих общий вал. Следует отметить, что с ростом частоты вращения коленчатого вала увеличивается количество отработавших газов и, соответственно, повышается скорость вращения компрессора и количество воздуха, поступающего в цилиндры двигателя. Это приводит к увеличению мощности двигателя с последующим ростом частоты вращения турбины и повышению температуры воздуха. В целях снижения температуры сжатого в турбокомпрессоре воздуха устанавливают теплообменники. Охлаждение воздуха позволяет улучшить наполнение цилиндров за счет увеличения плотности воздуха, что способствует повышению мощности двигателя с наддувом на 20 %. Для исключения возможности пойти турбокомпрессору «в разнос» вводятся устройства, ограничивающие частоту вращения турбокомпрессора после достижения необходимого давления наддува. Для этого в системе выпуска отработавших газов перед турбиной имеется обводный канал, открываемый перепускным клапаном и дающий возможность части отработавших газов миновать турбину. 92

94 из строя. Каталитические нейтрализаторы используют как для доокисления оксида углерода, альдегидов и дожигания углеводородов, так и для нейтрализации оксидов азота: либо путем доокисления NO и NO 2 до нетоксичного NО 3, либо восстановлением их до азота. Углеродосодержащие токсичные вещества в отработавших газах дизелей дожигают с участием всегда имеющегося в них кислорода, обусловленного большим избытком воздуха. Наименее токсичны предкамерные и вихрекамерные дизели, но экономичность их ниже дизелей с непосредственным впрыскиванием. Применение на автомобилях катализаторов требует регулирования процесса смесеобразования в зависимости от концентрации кислорода в отработавших газах. Поэтому катализаторы используют в автомобилях, имеющих карбюратор с электронным управлением или систему впрыска топлива. Каталитический нейтрализатор работает наиболее эффективно при подаче смеси воздуха и топлива в соотношении 14,7 : 1 или коэффициенте избытка воздуха, равном единице. Если воздуха в смеси мало (уменьшение кислорода), то СН и СО окисляются не полностью, при избытке же кислорода NO x не разлагается на азот и кислород. В современных двигателях для получения точного состава смеси применяют датчик концентрации кислорода, который встраивают в выпускную систему. Таким образом, сигналы управления смесеобразователь получает от этого датчика, который находится впереди в катализаторе или в выпускном коллекторе и омывается отработавшими газами. Датчик отработавших газов (концентрации кислорода) представляет собой электрический чувствительный элемент, который измеряет концентрацию содержащегося в отработавших газах кислорода и передает сигнал в блок управления в виде определенного уровня напряжения. В соответствии с этим сигналом блок управления воздействует на соотношение компонентов топливной смеси. С одной стороны, это необходимо вследствие изменения режима работы двигателя (холостой ход, полный «газ»), с другой стороны, определенное соотношение необходимо для того, чтобы обеспечить дожигание отработавших газов в катализаторе. Чтобы в катализаторе при температуре С могло пройти дожигание отработавших газов, топливная смесь должна иметь топлива больше, чем это необходимо для чистого сгорания смеси в цилинд ре. Вследствие этого, двигатели, оборудованные катализатором, имеют расход топлива на 5 % выше. 94

96 Благодаря хорошему смешению газа с воздухом газовоздушная смесь более однородна, чем смесь воздуха с жидким топливом. Газовоздушная смесь обладает более высокой полнотой сгорания, образуя при сгорании значительно меньше оксида углерода и других веществ, загрязняющих атмосферу. Опыт эксплуатации газовых двигателей показал, что при работе двигателя уменьшается нагарообразование, отсутствует конденсация и, соответственно, разжижение смазки, в результате чего сокращается износ двигателя. Необходимо отметить, что рабочие процессы двигателей на жидком бензиновом и газообразном топливе в основном протекают одинаково. Отличие заключается в меньшей скорости сгорания газовоздушной смеси, в результате чего необходимо на бо льшую величину увеличивать угол опережения зажигания, а также в характере состава смеси и способе ее приготовления для двигателей с внешним смесеобразованием. При использовании газовых двигателей раннее зажигание приводит к перегреву деталей двигате- Рис Компоновка газобаллонной системы на автомобиле: 1 запорная арматура; 2 газовый баллон; 3 переключатель вида топлива; 4 газовый клапан; 5 контрольный манометр; 6 патрубок подвода газа к смесителю; 7 газовый редуктор; 8 дозатор газа; 9 газовый смеситель; 10 бензиновый клапан; 11 трубопровод; 12 вентиляционный рукав 96

98 Рис Принципиальные схемы работы газового двигателя: а на сжиженном газе; б на природном газе; 1 дроссельная заслонка; 2 смеситель; 3 воздушная заслонка; 4 дозатор газа; 5 мембрана второй ступени; 6 клапан второй ступени; 7 рычаг клапана второй ступени; 8 полость второй ступени; 9 рычаг мембраны первой ступени; 10 регулировочный винт рычага первой ступени; 11 входной электромагнитный клапан; 12 магистральный электромагнитный клапан; 13 заправочное устройство; 14 заправочный вентиль; 15 предохранительный клапан; 16 обратный клапан; 17 отсечный клапан; 18 поплавок; 19 баллон; 20 магистральный вентиль; 21 каналы для охлаждающей жидкости; 22 мембрана с клапаном первой ступени; 23 полость первой ступени; 24 регулировочный винт холостого хода; 25 пружина; 26 регулировочный винт клапана второй ступени; 27 редуктор высокого давления; 28 клапан редуктора высокого давления; 29 манометр; 30 расходные вентили; 31 баллоны Система работает как на сжиженном газе, так и на бензине, поэтому в системе предусмотрены два электромагнитных клапана, которые при работе на бензине отключают подачу газа, а при работе на газе отключают подачу бензина. Для перехода с одного вида топлива на другое без остановки двигателя используется специальный переключатель. Для применения системы питания двигателя газом на карбюраторных двигателях используют либо специальные 98

100 и испарителя. Редуктор обеспечивает автоматическое снижение и поддержание на выходе постоянного давления независимо от объема газа в баллоне; поддержание на холостом ходу двигателя избыточного давления газа в пределах 100 Па; обеспечение плавного перехода двигателя с одного режима на другой и автоматическое прекращение подачи газа при остановке двигателя. В редукторе осуществляется автоматическое последовательное ступенчатое снижение давления. При применении сжиженного нефтяного газа в легковых автомобилях используют мембранно-рычажные редукторы низкого давления. В двухступенчатом редукторе в первой ступени происходит предварительное снижение давления от 0,16 до 0,04 МПа. Одновременно со снижением давления газа происходит его испарение путем подачи теплоты от системы охлаждения двигателя. Вторая ступень редуктора служит для снижения давления газа до значений, близких к атмосферному. В редукторе поддерживается заданная величина давления независимо от режима работы двигателя. Управление подачей газа осуществляется за счет эжекции (всасывания) газа во впускной коллектор при разрежении, образуемом при открытии или закрытии дроссельной заслонки карбюратора. Включение и отключение подачи газа на вход редуктора осуществляется электромагнитным клапаном 11 (см. рис. 1.18, а). При подаче напряжения на катушку клапан открывается и газ поступает в камеру первой ступени. В камере происходит снижение давления сжиженного газа и его испарение за счет теплоты охлаждающей жидкости, поступающей от двигателя. Автоматическое регулирование давления в камере первой ступени осуществляется клапаном, под воздействием давления газа, отжимающего мембрану 22. Величина давления регулируется винтом 10 через торсионную пружину. Через клапан 6 газ сниженного давления поступает в камеру второй ступени. Автоматическое регулирование давления в камере второй ступени осуществляется открытием клапана 6 из-за нажима на рычаг 7 мембраны 5, изменяющей свое положение под воздействием разрежения, образующегося при поступлении газа в двигатель. При открытии дроссельной заслонки разрежение увеличивается, и за счет втягивания внутрь корпуса мембраны 5 клапан 6 открывается, и газ поступает в двигатель под давлением, близким к атмосферному. Требуемый расход газа и его давление во второй ступени устанавливается регулировочным винтом 26, воздействующим на пружину 25. В режиме холостого хода клапан 6 закрыт, и газ поступает из полости первой ступени в полость второй ступени через постоянно открытый канал холостого хода, сечение которого регулируется винтом

102 на верхнюю часть карбюратора. Такой смеситель-насадка размещается в корпусе воздушного фильтра. Можно подать газ к двигателю, установив проставку между средней и нижней частями карбюратора. Для этого необходимо демонтировать карбюратор и разместить проставку на месте теплоизоляционной прокладки. На карбюраторах типа «Солекс» установка проставки таким способом невозможна. В ряде случаев для подачи газа в карбюратор в его корпусе устанавливают штуцеры. Для этого в зоне максимального сужения диффузоров карбюратора сверлят два отверстия диаметром 8 10 мм (в зависимости от рабочего объема двигателя), в которых нарезают резьбу. Штуцеры ввинчивают в эти отверстия. Однако такой способ трудоемок и требует высокой квалификации автомеханика. Для управления подачей газа и бензина в системе питания газобензиновых автомобилей применяют различные газовые и бензиновые клапаны. Клапаны часто объединяют с фильтрами для очистки поступающего топлива. Клапаны и фильтры различаются по пропускной способности. На легковых автомобилях отечественного производства устанавливают электромагнитные клапаны-фильтры, открывающие доступ газу в магистраль при подаче в цепь электрокатушки напряжения. Бензиновые электромагнитные клапаны размещают в месте разрыва топливной магистрали. Конструкция бензинового клапана аналогична электромагнитному газовому клапану, но имеет устройство для ручного открытия бензомагистрали. Газобензиновые двигатели с впрыском топлива. При применении газа для питания двигателей с впрыском топлива возможны различные режимы пуска двигателя. При этом переход после прогрева двигателя с бензинового топлива на газ в системах с впрыском осуществляется автоматически (в отличие от карбюраторных, где переход приходится выполнять вручную). При оборудовании автомобиля с впрыском топлива газобаллонной системой необходимо провести ряд регулировок, обеспечивающих нормальную работу системы управления при переходе на газ и прерывании подачи бензина к форсункам. При наличии в системе выпуска отработавших газов катализатора необходима корректировка на определенный состав газовоздушной смеси. В современных автомобилях применены электрические дозаторы с электронным управлением, согласующие свою работу с системой управления работой двигателя. В зависимости от конструктивных особенностей двигателя, систем питания бензином и турбокомпрессора применяют различные комплектующие для питания двигателя газовым топливом. 102

104 от рассмотренных выше систем подачи газа при давлении, близком к атмосферному, инжекторные системы подают газ во впускной коллектор под давлением 0,1 0,2 МПа. Эти системы устанавливают как на карбюраторные двигатели, так и на двигатели с системой впрыска бензина. Дозирование газа осуществляется газовым клапаном-инжектором 12, управляемым электронным блоком 4, который получает информацию о частоте работы двигателя от катушки зажигания 1 и о составе смеси от датчика концентрации кислорода 11. Информация о нагрузке на двигатель, обусловленная разрежением во впускном коллекторе, и расходе воздуха поступает на дифференциальный редуктор 14, который корректирует подачу топлива. Электронный блок управления 4 предназначен для обработки сигналов, поступающих от датчиков оборотов (катушка 1), температуры 10 и датчика концентрации кислорода 11, на основании данных от которых он управляет работой газового клапана и инжектора. При остановке двигателя электронный блок управления немедленно прекращает подачу газа в двигатель. Пульт управления 5 предназначен для переключения режимов «Бензин Газ» и регулировки длительности открытия форсунки. Для испарения жидкой фазы проходящего газа используется испаритель 2, в котором происходит подогрев газа охлаждающей жидкостью от двигателя. Рис Газовый инжектор: 1, 8 шайбы; 2 уплотнительное кольцо; 3 якорь; 4 опора; 5 регулировочное кольцо; 6 корпус; 7 обмотка катушки; 9 крышка; 10, 11 электроизоляционные шайбы; 12 сердечник со втулкой; 13 гайка; 14 штуцер 104

106 формацию о нагрузке на двигатель в виде разрежения во впускном коллекторе через штуцер 20. Давление поступающего газа регулируется за счет перемещения клапана 12 на втулке 14, которая находится под воздействием разрежения, передаваемого на мембрану 6, усилия пружины 3 и, с другой стороны, давления газа, давящего на мембрану 17. В полости 10 давление понижается до уровня 0,1 0,2 МПа и поступает к инжектору через штуцер 15. Давление газа регулируется заглушкой 1. Газобаллонные системы на дизелях. Характер воспламенения топливовоздушной смеси в дизелях значительно отличается от принудительного воспламенения топливной смеси от свечи зажигания в бензиновых двигателях. Поэтому при переводе дизеля на газовое топливо необходимы дополнительные условия обеспечения воспламенения газа в камере сгорания цилиндра. Температура воспламенения природных газов (например, метана примерно 700 С) значительно превосходит температуру самовоспламенения дизельного топлива, впрыскиваемого в конце такта сжатия в сжатый воздух с температурой порядка 280 С. Поэтому для обеспечения нормального процесса сгорания топливовоздушной смеси в цилиндрах дизеля принята особенная технология. В цилиндры двигателя подается газовоздушная смесь, которая сжимается поршнем на такте сжатия. В определенный момент ТНВД подает в форсунки под высоким давлением небольшую дозу (запальную) дизельного топлива, которая впрыскивается в сжатую и горячую газовоздушную смесь. Происходит самовоспламенение топлива и поджег газовоздушной смеси. Таким образом, газодизель работает на двух видах топлив, поэтому понятие самовоспламенения топливовоздушной смеси в газодизелях изменяется. Можно принять, что газодизели являются двигателями с принудительным воспламенением. Поскольку газодизель имеет две взаимосвязанные системы питания топливом (дизельную и газовую), то оборудование дизеля при переходе на газовое топливо, значительно усложняется. Однако переоборудование дизеля на питание природными газами имеет ряд преимуществ по сравнению с питанием только дизельным топливом: расход дизельного топлива сокращается на %; суммарный запас хода автомобиля при использовании двух видов топлив увеличивается более чем в 1,5 раза; дымность отработавших газов снижается более чем в 2 раза. Необходимость применения двух видов топлив в газодизелях значительно усложняет процесс питания двигателя с обеспечением необходимой пропорциональности компонентов топлив. Минимальное количество запального жидкого топлива зависит от 106

108 Газодизельные системы питания устанавливают на двигатели, оснащенные только ТНВД с двухрежимным регулятором оборотов. В случае применения на ТНВД всережимного регулятора, его необходимо заменить на двухрежимный СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ РАБОТОЙ ДВИГАТЕЛЯ Карбюраторный двигатель. Управление работой карбюраторного двигателя выполняется полуавтоматически: принудительным изменением положения дроссельной заслонки, осуществляемым водителем в зависимости от режима движения, и автоматической подачей топлива нужной концентрации для данных условий работы двигателя, приготовляют в карбюраторе с предварительно отрегулированными системами. Одновременно, автоматически, в зависимости от положения дроссельной заслонки, коленчатого вала и частоты его вращения осуществляется зажигание топливовоздушной смеси в соответствии с порядком работы цилиндров двигателя. Такая система управления не имеет обратной связи и влиять на изменение характера ее работы не представляется возможным без проведения предварительных регулировок. Для увеличения топливной экономичности и уменьшения вредных выбросов в атмосферу, т. е. для оптимизации состава топливовоздушной смеси и наполнения цилиндров на различных режимах работы двигателя, стали применять карбюратор с электронным управлением. Примером может служить система «Экотроник», разработанная фирмой «Бош». В систему входит карбюратор с сервоприводами управления образованием топливовоздушной смеси определенной концентрации, датчики и контроллер, управляющий работой карбюратора в зависимости от поступающей от датчиков информации о режиме работы двигателя. Однако подобная система с электронным управлением карбюратором обладает определенной инерционностью и не может полностью обеспечить желаемый характер изменения состава смеси в зависимости от режимов работы двигателя. Поэтому дальнейшим развитием устройств образования и подачи в двигатель топливовоздушной смеси явилась система впрыска топлива, потребовавшая, однако, сложного электронного управления. Двигатель с впрыском топлива. В настоящее время разработано и серийно выпускается большое количество разнообразных систем управления двигателями внутреннего сгорания. По своему 108

110 Рис Функциональная схема управления системой впрыска «Л-Джетроник»: 1 термореле; 2 датчик температуры охлаждающей жидкости; 3 датчикраспределитель зажигания; 4 высотный корректор; 5 выключатель положения дроссельной заслонки; 6 расходомер воздуха; 7 датчик температуры всасываемого воздуха; 8 ЭБУ; 9 блок реле; 10 топливный насос; 11 аккумуляторная батарея; 12 выключатель зажигания; 13 рабочие форсунки; 14 клапан добавочного воздуха; 15 пусковая форсунка; А устройства входных параметров; В устройства управления и обеспечения; С устройства выходных параметров тельность впрыска пусковой форсунки определяется температурой охлаждающей жидкости. Комплексная система управления двигателем объединяет управление впрыском (смесеобразованием) и зажиганием. Функциональная схема системы комплексного управления двигателем (рис. 1.23) обеспечивает оптимизацию процессов зажигания и впрыска (в том числе и смесеобразования), что позволяет значительно улучшить характеристику крутящего момента, уменьшить расход топлива и выброс в атмосферу вредных веществ в отработавших газах, облегчить пуск и прогрев холодного двигателя. В ЭБУ (контроллер) от датчиков, определяющих изменение различных параметров, характеризующих работу двигателя (положение и частота вращения коленчатого вала, температура всасываемого воздуха и охлаждающей жидкости, количество поступающего воздуха, количество кислорода в отработавших газах и т. д.), непрерывно поступают электрические сигналы в виде изменения 110

112 токов и напряжений. Эти сигналы преобразуются в аналоговые в аналого-цифровом преобразователе 12, превращаясь в цифровую (двоичный код) информацию. Микропроцессор 13 обрабатывает полученную информацию по программе, заложенной в блоке памяти 14, с использованием блока оперативной памяти 15. После усиления сигналов, выработанных контроллером, они поступают в виде команд в системы питания и зажигания, корректируя работу двигателя для данных условий. В ЭБУ заложена также система самодиагностики, обнаруживающая нарушения в работе контроллера и элементов системы и вводящая их в запоминающее устройство. При неисправности одного или нескольких датчиков ЭБУ начинает работать согласно значениям, заложенным в программе. После получения от датчиков нормальной информации контроллер переходит в штатный режим работы. Данные о неисправностях, введенных в запоминающее устройство контроллера, могут быть использованы при диагностировании в процессе технического обслуживания автомобиля. Подобные схемы управления применяются в большинстве систем, в частности, в системах «Феникс», «Мотроник» и др. Управление дизелем аналогично управлению бензиновым двигателем, но при исключении управления зажиганием. На основании данных о частоте вращения коленчатого вала и положения педали подачи топлива ЭБУ рассчитывает количество впрыскиваемого топлива. Это количество топлива уточняется по информации о температуре охлаждающей жидкости, температуре и давлении засасываемого в двигатель воздуха. ЭБУ подает сигнал на ТНВД на открытие или закрытие возвратного канала топлива из плунжерной камеры, изменяя интервал времени от начала впрыска до открытия возвратного клапана, тем самым дозируя количество подаваемого топлива. Исполнительным механизмом, регулирующим количество впрыскиваемого топлива по сигналам ЭБУ, служит электромагнитный игольчатый клапан, установленный на распределительной головке ТНВД. Одновременно с управлением впрыска топлива управляется и положение воздушной заслонки, обеспечивая снижение вибраций и предотвращая «разнос» двигателя. На двигателях с тремя и четырьмя клапанами на каждом цилиндре обеспечивается электронное управление временем открытия клапанов и величиной их хода по определенной программе. Такие системы управления обеспечивают повышение мощности двигателя и экономичности. На автомобилях фирмы «Мицубиси» с системами электронного управления клапанами повышена мощность и экономичность более чем на 15 %. 112

114 ное открытие клапанов 6 и 4 на 1,5 с и поступление пусковой дозы газа для запуска двигателя. Если при пуске двигатель не заводится, то блок 1 автоматически отключает подачу газа. Такая ситуация может наблюдаться, если двигатель заглох. Во время попытки запуска двигателя и в процессе его работы клапаны открыты. Устройства микропроцессорной системы управления двигателями внутреннего сгорания. Для автомобильного двигателя характерна работа в широком диапазоне нагрузочного, скоростного и теплового режимов. В основном работает двигатель на неустановившихся режимах, к которым относятся пуск и прогрев, разгон и торможение, набор нагрузки и ее сброс, а также остановка двигателя. Существуют автомобили, двигатели которых могут работать на нескольких видах топлив, а также совместно с двигателями различного энергообеспечения, например, гибридные системы. Поэтому современная система управления работой двигателя очень сложна. Основой таких систем управления является микропроцессор, который получает информацию от датчиков о состоянии двигателя и условиях его работы, характеризуемых комплексом контролируемых возмущающих воздействий. Микропроцессорная система управления двигателем состоит из ЭБУ (контроллера) с входящим в него микропроцессором, аппаратуры (датчиков) информации о состоянии двигателя и режимов его работы и исполнительных устройств. На основании получаемой информации от датчиков микропроцессор формирует комплекс управляющих воздействий закодированных сигналов, поступающих в контроллер. Контроллер, в свою очередь, передает управляющие воздействия на исполнительные устройства, управляющие рабочим процессом в двигателе. В управляемые показатели двигателя входят крутящий момент, частота вращения коленчатого вала, давление и температура в системах топливоподачи, наддува, смазочной, охлаждения, содержание кислорода в отра ботавших газах (состав и количество вредных выбросов датчика концентрации кислорода), а также расход топлива, масла, воздуха и воды. Соответственно, для обеспечения оптимальной работы двигателя осуществляется управление следующими процессами: длительностью впрыскивания топлива; составом смеси топлива и воздуха; опережением впрыскивания топлива или зажигания; давлением впрыскивания топлива; фазами газораспределения; режимом холостого хода; температурами в системах охлаждения, смазочной, подачи воздуха; степенью сжатия; равномерностью нагрузки цилиндров и др. 114

116 са, кондиционера, систем подогрева, а также обеспечивать поддержание значений регулируемых параметров, диагностирование систем, аварийную защиту двигателя и др. Датчики (преобразователи), входящие в состав контроллера, обеспечивают сбор, обработку и ввод в микропроцессор информации о состоянии двигателя, условиях и режиме его работы, а также контролируемых возмущающих воздействиях. В современных системах управления используют датчики трех типов: аналоговые, импульсные и релейные. Получают распространение и так называемые интеллектуальные датчики, представляющие собой встроенные в датчик микропроцессорные устройства для первичной обработки поступающего сигнала, что повышает надежность системы и увеличивает помехозащищенность. Основным или главным задатчиком является датчик, устанавливаемый на педали и фиксирующий ее положение. Исполнительные устройства это преобразователи электрического управляющего сигнала контроллера в перемещение, давление, расход жидкости или газа и другие физические параметры. Различают исполнительные устройства импульсного и непрерывного (аналогового) действия. По виду преобразования исполнительные устройства могут быть электромеханическими, электрогидравлическими и электропневматическими. Электромеханические преобразователи непрерывного действия представляют собой пропорциональные электромагниты или электродвигатели постоянного тока. Электромагниты компактны, обладают необходимым быстродействием по сравнению с электродвигателем, но при отключении управляющего воздействия возвращаются в исходное положение в отличие от электродвигателя. Практическое применение имеют, как правило, релейные системы, имеющие либо два устойчивых положения «Включено» и «Выключено», либо три перемещение в одну или другую сторону и «Выключено». Электромагниты представляют собой обычные соленоиды, состоящие из неподвижного магнитопровода и подвижного якоря, выполненных из ферромагнитных материалов, и обмотки. Время срабатывания таких соленоидов при ходе якоря не более 0,5 мм составляет 0,1 мс. В топливных системах некоторых легковых автомобилей используются преобразователи геленоиды (соленоиды малых габаритных размеров) и пьезоактюаторы, составленные из набора пьезопластин. Пьезоактюаторы фирмы «Сименс» наряду с дозированной подачей топлива создают направленную вибрацию с заданной частотой, способствующую мельчайшему распылению то- 116

118 иглу через гидравлический привод, выполняющий роль усилителя или увеличителя хода. В исходном положении игла прижимается к седлу силой пружины и разностью сил, создаваемых давлением топлива в управляющей камере и камере, расположенной под иглой. При подаче управляющего электрического импульса на электромагнит клапан открывается, и давление в управляющей камере понижается. Сила, создаваемая давлением топлива, преодолевает силу пружины, прижимающей иглу, и поднимает иглу, открывая подачу топлива в цилиндр. Игла остается в открытом положении до изменения давления в управляющей камере, обусловленного уменьшением давления топлива в распылительном канале. В закрытом состоянии игла удерживается силой пружины и силой давления на входе в форсунку за счет разности площадей иглы в камерах над и под иглой. Аналогичные действия выполняет форсунка фирмы «Бош»; ее управление осуществляется гидроприводным поршнем. Форсунки фирмы «Сименс» используют пьезопривод управляющего клапана, что позволяет увеличить быстродействие форсунки в 4 6 раз и повысить точность дозирования ВОДОРОДНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Особенно перспективным считается применение автомобильных двигателей на водородном топливе, поскольку это самый дешевый энергоноситель. В настоящее время вопрос создания таких двигателей достаточно проблемен, хотя теоретические предпосылки в решении данного вопроса имеются и даже в ряде автомобильных фирм уже созданы опытные установки. В водородных силовых агрегатах топливные элементы преобрузуют энергию водорода в электрическую, питающую тяговый электродвигатель. Благодаря этому КПД превышает 60 %. Для сравнения, этот показатель у дизелей с турбонаддувом не превышает 50 %, а у бензиновых двигателей 30 %. Водород как топливо может использоваться в жидком, газообразном и комбинированном с природными газами состоянии. Ученые ведут поиск топливных водородных элементов, имеющих сравнительно низкую рабочую температуру и относительную простоту конструкции. К таким элементам можно отнести твердооксидный с протонообменной мембраной элемент РЕМ. Работа топливного элемента РЕМ осуществляется следующим образом. Электроды (анод и катод) элемента РЕМ представляют собой 118

120 топлива, но уже на основе синтезирования метанола или метана непосредственно на автомобиле. Разработка непосредственно водородного двигателя для легкового автомобиля требует высокой безопасности силовой установки, предусматривающей обеспечение взрывобезопасности и контроля за возможными утечками газа и наличие приборов практически мгновенного отключения давления газа при аварийных ситуациях. Применение электрооборудования на автомобиле с водородным двигателем требует защиты от высокого напряжения и электромагнитного воздействия, для чего необходимо капсулирование и заземление магистралей и приборов высокого напряжения, экранирование зон высокого электромагнитного излучения, применение высокопрочных изолирующих материалов. В качестве источника электроэнергии на водородных двигателях приходится использовать никель-металл-гидридные и литийионные аккумуляторы, имеющие бо льшую энергоемкость по сравнению со свинцовыми (см. гл. 2). Большую сложность в создании элементов двигателя, непосредственно соприкасающихся с водородом, представляет защита металлов от водородной хрупкости, что требует разработки совершенно новых антикоррозионных присадок, устойчивых к совместной работе материалов, и защитных покрытий. Пробеговые испытания опытных автомобилей, использующих водородное топливо, показали, что с точки зрения энергетической ценности один килограмм водорода соответствует одному галлону (3,78 литра) бензина ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТЯГОВЫЙ ПРИВОД Стремление улучшить экологию автомобильного транспорта заставило ученых обратить внимание на электропривод. Этому поспособствовало и развитие полупроводниковой микроэлектронники, позволяющей реализовать создание систем управления в компактных устройствах, обладающих высокой надежностью. Наиболее широкое применение получил тяговый привод с двигателем постоянного тока последовательного возбуждения. Такой двигатель обладает рядом достоинств: обеспечивает при разгоне максимальный момент при ограниченном токе, имеет сравнительно небольшие габаритные размеры (коэффициент объема порядка 0,8) и повышенную перегрузочную способность (на параллельно работающих двигателях автоматически достигается равномерное распределение 120

122 Рис Схема электропривода с тиристорным преобразователем в цепи якоря: М якорь двигателя; GB тяговая батарея; СП силовой преобразователь; V1 V4 тиристоры; V5, V6 вентили; ОВ обмотка возбуждения; ПВ транзисторный преобразователь возбуждения; КР контактор; Др дроссель; РС регулятор скорости; ТЯ и ТВ датчики; ЗС и ЗТ индуктивные задатчики; ПХ педаль хода; ПТ педаль торможения; РТ регулятор тока якоря; РВ регулятор возбуждения тора скорости РС осуществляет импульсное частотное регулирование выходного напряжения с использованием тиристоров. В режиме тяги работает тиристор V1, а в режиме торможения тиристор V2, остальные тиристоры выполняют функции переключения режимов. Развитие цифровой вычислительной техники и ее элементной базы создает благоприятные условия рациональной и эффективной организации систем управления работой электрическими тяговыми приводами, применяемыми в электромобилях. Упрощенный алгоритм такого управления будет следующим. В режиме тяги: а движение «вперед» с регулированием момента на валу двигателя; б быстрый разгон; в движение «вперед» с регулированием скорости по напряжению на якоре и по току возбуждения; г движение «назад». В режиме торможения: а управление моментом по току возбуждения; б управление моментом по 122

124 Рис Конструктивная схема (а) и режимы работы (б, в) гибридной силовой установки автомобиля «Тойота Приус» мерно 4,3 л на 100 км пробега по шоссейным дорогам с твердым покрытием. В силовой установке электрообеспечение системы движения и всех потребителей энергии осуществляется отдельным силовым генератором и никель-металл-гидридным аккумулятором, обладающим большой пиковой мощностью. В настоящее время разработаны для гибридных двигателей литий-ионные аккумуляторы, масса которых примерно в два раза меньше массы традиционных. 124

126 126 Глава 2 ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ АВТОМОБИЛЯ 2.1. ИСТОЧНИКИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ АВТОМОБИЛЯ Общие сведения Электрооборудование автомобиля состоит из большого числа приборов системы управления двигателем (в ряде случаев и агрегатами ходовой части), контроля и диагностики, контактных групп, источников энергообеспечения, приборов освещения и комфорта, соединительных линий и др. Основой электрооборудования любого легкового автомобиля является система управления работой двигателя. Наиболее простой вариант электрооборудования легкового автомобиля с бензиновым двигателем представлен на рис В ходе развития автомобилестроения система электрооборудования автомобиля постепенно усложнялась введением новых устройств, обеспечивающих снижение расхода топлива, диагностику и автоматизацию контроля за работой систем, повышение экологических свойств двигателя, безопасности, комфорта водителя и пассажиров и др. Однако, в своей основе, система энергообеспечения автомобиля существенных изменений не претерпела. Основные источники электрической энергии автомобиля аккумуляторная батарея и генератор, снабжающие электрическим током все системы и устройства, обеспечивающие работу и безопасность движения автомобиля. Потребителями электрической энергии в автомобиле являются система пуска двигателя (стартер); система зажигания рабочей смеси в цилиндрах бензиновых и газовых двигателей; электронная система управления работой двигателя; система наружного и внутреннего освещения; система све-

128 кондиционера и т. п. Электрические соединения в монтажном блоке выполнены на печатных платах. Напряжение питания к большинству потребителей подведено через выключатель зажигания, однако ряд систем, работа которых необходима независимо от положения ключа зажигания (стопсигнал, звуковая сигнализация, аварийное освещение и др.), постоянно подключены к аккумуляторной батарее Аккумуляторная батарея Переход на новые виды топлив для автомобилей требует совершенствования системы энергообеспечения. Особенно остро этот вопрос возникает при переходе электродвигателей на гибридные силовые агрегаты. В частности, по данным исследований США для обеспечения требуемого запаса хода автомобилей с электроприводом необходим уровень удельной энергоемкости и мощности источников тока от 60 до 200 Вт ч/кг. В настоящее время известны такие источники тока с высокой энергоемкостью, как серебряноцинковые аккумуляторные батареи и менее дорогие никель-цинковые, никель-железные и широко используемые свинцово-кислотные батареи. Аккумуляторная батарея обеспечивает электрическим питанием все системы и приборы автомобиля на стоянке и при выключенном двигателе, а также выступает основным источником электроэнергии при пуске двигателя. При заряде аккумулятор преобразует электрическую энергию в химическую, запасаемую в активной массе аккумуляторных электродов. При разряде химическая энергия вновь трансформируется в электрическую энергию, потребляемую системами автомобиля. Свинцово-кислотные аккумуляторы (СКА) наиболее широко используются на автотранспорте благодаря их низкой стоимости и простоте в эксплуатации. Фактическая удельная энергия аккумулятора равна Вт ч/кг. Аккумуляторная батарея состоит из шести свинцово-кислотных двухвольтовых аккумуляторов, соединенных между собой последовательно, обеспечивая в электрической цепи автомобиля постоянный ток напряжением 12 В. Аккумуляторы батареи размещены в полипропиленовом баке, разделенном непроницаемыми перегородками на шесть отсеков. В каждом отсеке находится блок из поочередно расположенных положительных и отрицательных пластин, выполненных в виде решетки, заполненной пористой активной массой из свинца и его оксидов. Между пластинами в блоках

130 энергией (система зажигания, освещение, стеклоочистители и др.) при отказе генератора для обеспечения безопасного движения автомобиля. Резервная емкость измеряется в минутах при разряде полностью заряженной батареи током 25 А при температуре +27 С до напряжения 10,5 В. На американских и некоторых аккумуляторах восточных стран указывается резервная емкость вместо номинальной. Для оценки возможности отдавать аккумулятором большие токи, необходимые для работы стартера при пуске двигателя, используют такие показатели, как ток стартерного разряда и ток холодной прокрутки. Ток стартерного разряда это максимальный ток в амперах, который аккумулятор (батарея) способен отдавать на 30-й секунде непрерывного разряда при температуре электролита 18 С без падения напряжения на клеммах ниже 9 В. При этом общее время разряда до 6 В должно быть не менее 2,5 мин. Чем выше значение этого параметра, тем более высокие пусковые свойства батареи. Ток холодной прокрутки по американскому стандарту (SAE) определяется на 30-й секунде разряда при температуре электролита +18 С при напряжении на выводных клеммах 7,2 В. Отечественные аккумуляторные батареи имеют определенную маркировку: 6СТ-55А, 6СТ-70А и т. д. Первая цифра в маркировке указывает число аккумуляторов в батарее; буквы СТ означают, что батарея стартерного типа; последующие цифры номинальная емкость, А ч; буква А показывает, что бак изготовлен из полипропиленовой пластмассы. Под маркой «Энерджеко» в Россию для легковых автомобилей поставляются необслуживаемые аккумуляторы емкостью 62 и 100 А ч. Аккумуляторы полностью подготовлены к эксплуатации и заправлены многокомпонентным электролитом с антисульфатными и другими присадками. В аккумуляторах применены пластины из сверхчистого кальциевого свинца, позволяющие сократить время зарядки батарей. Они отличаются большими пусковыми токами, морозоустойчивостью и малыми габаритными размерами. Появление новых систем автомобилей (гибридных и электрических силовых агрегатов) потребовало применения новых аккумуляторов, к которым относятся никель-кадмиевые, никель-железные, никель-цинковые, литий-ионные и другие аккумуляторы. Никель-железные аккумуляторы (НЖА) наиболее перспективны для использования в автомобилях с гибридным двигателем и в электромобилях. НЖА отличаются сравнительно небольшой стоимостью и большим сроком службы. Основные проблемы при ис- 130

132 мощностью. Независимо от фирмы, выпускающей легковые автомобили, конструктивная схема применяемых генераторов переменного тока не имеет существенных различий. Генераторная установка приводится во вращение клиновым ремнем от коленчатого вала двигателя. Генератор состоит из ротора, статора, расположенного между двух крышек, стянутых болтами, шкива с вентилятором, щеткодержателя и регулятора напряжения. Ротор, в свою очередь, состоит из вала, на который напрессованы клювообразные полюса с расположенной между ними обмоткой возбуждения. На валу ротора имеются два контактных кольца, через которые подается в обмотку возбуждения электрический ток. Ротор вращается в шариковых подшипниках, установленных в крышках и заполненных смазкой. Они не требуют обслуживания при эксплуатации. Электромагнитные полюсные наконечники при прохождении тока по обмотке возбуждения создают магнитное поле. Статор изготовлен в виде кольца, состоящего из отдельных стальных пластин, изолированных друг от друга. На внутренней поверхности имеются выступы, на которые надеты катушки, образующие трехфазную обмотку статора. При пуске двигателя в обмотку возбуждения генератора поступает ток от аккумуляторной батареи. Вокруг полюсов ротора создается магнитный поток. После пуска двигателя ротор генератора начинает вращаться, и магнитный поток ротора пересекает витки обмотки статора, индуцируя в ней электродвижущую силу синусоидальной формы. Переменный ток поступает в выпрямительный блок и далее к потребителям электроэнергии, в обмотку возбуждения и на заряд аккумуляторной батареи. На отечественных автомобилях выпрямительный блок, преобразующий переменный ток в постоянный, собран на шести диодах. На плате выпрямительного блока установлены дополнительно к шести еще три диода, питающие постоянным током обмотку возбуждения ротора и цепь контроля исправности генератора. В цепи генератора имеется конденсатор, обеспечивающий защиту электрооборудования автомобиля от импульсов напряжения в сети и подавление помех при радиоприеме. Напряжение генератора регулируется электронным неразборным регулятором. Напряжение генератора зависит от частоты вращения коленчатого вала двигателя. При повышенной частоте вращения ротора напряжение генератора начинает превышать 14,5 В. Тогда регулятор напряжения запирает поступление тока в обмотку возбуждения, и напряжение генератора падает. Регулятор напряжения снова начинает пропускать ток в обмотку возбужде- 132

134 автомобилей применяют три сериесные катушки, соединенные последовательно с обмоткой якоря, и шунтовую катушку, включенную параллельно обмотке якоря, или используют более простой вариант: две сериесные и две шунтовые катушки. Сериесные обмотки стартера выполнены из медного проводника большой площади поперечного сечения, поскольку через них проходит пусковой ток до 500 А, а шунтовые обмотки, включенные параллельно обмотке якоря, имеют меньшее сечение, так как по ним проходит значительно меньший ток. Такое смешанное соединение обмоток возбуждения позволяет получить большой крутящий момент на валу якоря при пуске двигателя и небольшую частоту вращения, что улучшает условия работы механических узлов стартера. Стартер состоит из корпуса-статора, щеток, якоря, тягового реле, механического привода с муфтой свободного хода и шестерней, входящей при пуске в соединение с губчатым венцом маховика. На ряде автомобилей в стартерную цепь включено дополнительно к тяговому вспомогательное реле. Якорь состоит из вала с напрессованным на нем сердечником с обмоткой и коллектора. В большинстве конструкций стартеров применен торцевой коллектор, представляющий собой пластмассовый диск с медными контактными пластинами. Такой коллектор позволяет уменьшать длину стартера и обеспечивать стабильный контакт щеток при длительной работе. Вал якоря вращается в двух пористых металлокерамических втулках-подшипниках, пропитанных маслом и запрессованных в крышки стартера. На переднем конце вала якоря размещен механический привод стартера, состоящий из роликовой обгонной муфты и шестерни. Обгонная муфта (муфта свободного хода) обеспечивает передачу крутящего момента от вала якоря к венцу маховика через шестерню при пуске двигателя и отвод шестерни от маховика после пуска. Обгонная муфта состоит из двух колец: наружного с роликами, расположенными в клиновидных пазах, и внутреннего. При пуске двигателя вращение якоря стартера передается на наружное кольцо, поворот которого относительно неподвижного внутреннего кольца смещает ролики в узкую часть паза, в результате чего кольца между собой заклиниваются и, вращаясь как единое целое, передают крутящий момент через маховик на вал двигателя. После пуска двигателя скорость вращения внутреннего кольца муфты с шестерней, соединенных с маховиком, превышает скорость вращения вала якоря с наружным кольцом и роликами. Ролики обгонной муфты будут выталкиваться в широкую часть паза, разъединяя шестерню с валом якоря. 134

136 вой разряд между электродами. Такой принцип позволяет управлять зажиганием рабочей смеси, обеспечивая создание искрового разряда в строго определенные моменты времени и в необходимом количестве тепловой энергии для зажигания смеси. В частности, для надежного воспламенения рабочей смеси требуется напряжение для электрического разряда не менее (10 12) 10 3 В. Величина напряжения электрического разряда тем больше, чем больше искровой промежуток между электродами. Однако при этом повышается и нагрузка на приборы зажигания. Для нормальной работы двигателя большое значение имеет временной промежуток зажигания рабочей смеси. Оптимальным считается такой момент зажигания топливовоздушной смеси, при котором давление газов на днище поршня достигает максимума после прохода поршнем ВМТ на по углу поворота коленчатого вала. При этом достигается наибольшая мощность двигателя и «мягкая» его работа. Оптимальное значение момента зажигания рабочей смеси зависит от скорости горения рабочей смеси и скоростного режима работы двигателя. Скорость горения рабочей смеси определяется ее составом и однородностью, степенью сжатия, а также рядом других факторов, влияющих на качество смесеобразования. С увеличением частоты вращения коленчатого вала двигателя возрастает скорость перемещения поршня, следовательно, уменьшается время самого процесса сгорания смеси. Отсюда, для успешного и полного сгорания рабочей смеси при увеличении частоты вращения коленчатого вала необходимо обеспечить более раннее воспламенение рабочей смеси. Угол поворота коленчатого вала за промежуток времени от момента начала искрообразования до момента прихода поршня в ВМТ называется углом опережения зажигания. При полной нагрузке двигателя на номинальном скоростном режиме угол опережения зажигания находится в пределах В бензиновых двигателях применена система зажигания, воспламеняющая рабочую смесь в определенный момент искровым разрядом. На легковых автомобилях нашли широкое распространение контактная и бесконтактная системы зажигания. Контактная система зажигания (рис. 2.2) включает в себя катушку зажигания преобразователь и накопитель энергии, прерыватель-распределитель, свечи зажигания, выключатель зажигания, электрическую цепь низкого и высокого напряжений, аккумуляторную батарею (пуск двигателя и малые частоты вращения) и генератор (средние и большие частоты вращения). Такую систему зажигания еще называют батарейной. 136

138 тушкой зажигания, которая представляет собой трансформатор с разомкнутым магнитопроводом. Она имеет первичную низковольтную обмотку с небольшим числом витков и вторичную высоковольтную с большим числом витков. Высоковольтная обмотка намотана вокруг сердечника магнитопровода, а поверх высоковольтной располагается низковольтная обмотка. В результате прохождения тока по низковольтной обмотке в катушке возникает постоянное магнитное поле. При прекращении подачи тока (размыкании низковольтной цепи) силовые линии исчезающего магнитного поля пересекают витки обмоток, вследствие чего в них индуцируется ток, электродвижущая сила которого пропорциональна скорости изменения магнитного потока. Полученный ток высокого напряжения поступает на токоразносную пластину ротора и далее распределяется по свечам зажигания. При исчезновении магнитного потока в первичной обмотке возникает ток самоиндукции, снижающий скорость исчезновения магнитного потока и вызывающий электрическую дугу между контактами прерывателя (обгорание контактов). Для устранения обгорания контактов параллельно им включают конденсатор. Однако полностью исключить искрение контактов прерывателя и токораспределителя все равно не удается. На отечественных автомобилях ВАЗ применяется система зажигания с трех- или четырехклеммной катушкой. Четырехклеммная катушка зажигания (три клеммы низкого и одна высокого напряжения) позволяет повысить надежность пуска двигателя, так как она имеет дополнительное сопротивление, которое автоматически отключается в момент пуска, обеспечивая повышение тока питания в первичной обмотке (соответственно и повышение выходного напряжения на вторичной обмотке). После пуска дополнительное сопротивление включается в цепь, не допуская перегрева первичной обмотки за счет уменьшения силы тока. Дополнительное сопротивление также снижает возможность подгорания контактов при возрастании силы тока на малых оборотах, изменяя сопротивление (увеличивая его) при нагревании первичной обмотки. Разрыв цепи низкого напряжения катушки зажигания осуществляется прерывателем-распределителем, приводимым во вращение распределительным валом двигателя. Одновременным периодическим размыканием цепи низкого напряжения прерывательраспределитель распределяет ток высокого напряжения по свечам зажигания в соответствии с порядком работы двигателя. Для обеспечения поджигания смеси в определенный момент времени на 138

140 ние в контактах прерывателя и снизить силу тока, проходящую через контакты, с 5 7 до 0,5 А. Эта система явилась одной из разновидностей транзисторных (электронных) схем зажигания. Контактно-транзисторная система зажигания позволила увеличить напряжение во вторичной цепи катушки зажигания и, соответственно, повысить энергию искрообразования в свечах зажигания. Зазоры между электродами свечей увеличились до 1 1,2 мм (в контактной системе зажигания зазор между электродами свечей не превышает 0,6 мм) и отпала необходимость в конденсаторе. Управление системой осуществляется коммутатором, получающим от контактов прерывателя управляющие импульсы и преобразующим их в импульсы тока в первичной обмотке катушки зажигания. Размыкание и замыкание первичной (низковольтной) цепи происходит в результате запирания и отпирания выходного транзистора коммутатора. Таким образом прерыватель превратился в датчик управляющих импульсов, через контакты которого проходит в цепь ток малой силы, управляющий выходным транзистором коммутатора. Это является основным отличием контактно-транзисторной системы зажигания от контактной (батарейной) системы, где контакты прерывателя размыкают непосредственно первичную цепь катушки зажигания. В настоящее время практически на всех легковых автомобилях зарубежного производства и частично на отечественных автомобилях применена бесконтактная система зажигания или цифровая микропроцессорная система управления двигателем. Как правило, микропроцессорные системы управления двигателем устанавливают на двигателях с впрыском топлива. Бесконтактная электронная система зажигания (рис. 2.3) имеет существенное конструктивное отличие от контактных систем несмотря на аналогичный по функциональному назначению состав элементов схемы. Бесконтактная электронная система зажигания состоит из источника тока, катушки зажигания, свечей зажигания, транзисторного (электронного) коммутатора, распределителя с ротором и бесконтактным датчиком, проводов высокого и низкого напряжения и выключателя зажигания. Аналогично контактной системе зажигания на распределителе с бесконтактным датчиком установлены центробежный и вакуумный регуляторы опережения зажигания. Бесконтактная система зажигания по сравнению с контактной позволяет значительно повысить надежность схемы в связи с отсутствием контактной группы и исключением регулировок в датчике-распределителе практически в течение всего срока эксплуатации автомобиля. Система создает высокую 140

142 рыве магнитной цепи с минимальными зазорами вращающийся якорь (распределитель магнитного потока), называемый коммутатором. При вращении распределителя потока в моменты, когда его выступы располагаются по направлению замыкания магнитного потока статора, магнитное сопротивление цепи наименьшее. По закону индукции в обмотке возникает напряжение, значение которого зависит от частоты вращения, числа витков катушки и магнитного сопротивления магнитной цепи. При входе выступа в зону магнитной цепи статора в катушке формируется импульс напряжения одной полярности, а при выходе полярность меняется на обратную. Таким образом, магнитоэлектрический датчик является генератором переменного тока. Число выступов ротора коммутатора равно числу рабочих цилиндров двигателя. Недостаток таких датчиков заключается в колебании угла опережения зажигания по цилиндрам двигателя. Лучшими характеристиками обладают генераторные датчики, имеющие число статорных полюсов, равных числу цилиндров двигателя. Такой датчик обеспечивает для каждого положения распределителя магнитного потока средний зазор, как сумму всех зазоров между ротором и статором одновременно. В прерывателях-распределителях нашли применение датчики с вращающимися магнитами, генерирующие сигнал большой амплитуды. Недостаток таких датчиков некоторое смещение момента искрообразования на малой частоте вращения ротора. Широкое распространение в роторах-распределителях получили полупроводниковые датчики, действие которых основано на эффекте Холла. Суть эффекта заключается в том, что если полупроводниковую пластину определенного химического состава (арсенид галлия или индия, антимонид индия) поместить в магнитное поле (N S) так, чтобы силовые линии поля были перпендикулярны плоскости пластины, и через эту пластину пропустить ток, то между электродами на противоположных гранях возникнет электродвижущая сила Холла. Повышенная энергия искрового разряда в свечах зажигания создается в катушке зажигания за счет увеличения силы тока в первичной обмотке (10 A вместо 3 5 А в контактной системе) и, соответственно, возрастания тока высокого напряжения на вторичной обмотке. Установка катушки зажигания, предназначенной для бесконтактной системы, в контактную систему зажигания приводит к быстрому выходу из строя прерывателя. Свечи зажигания в бесконтактной системе отличаются увеличенными зазорами между электродами и толщиной самих элек- 142

144 свечи с горячими газами. Чем больше диаметр и длина резьбовой части свечи, а также высота теплового конуса ее изолятора, тем быстрее будет осуществляться прогрев свечи и создаваться требуемый тепловой режим в процессе работы. Искровой разряд свечей при работе двигателя создает помехи в работе радиоэлектронных приборов. Для уменьшения радиопомех, создаваемых искровым разрядом, в ряде свечей зажигания установлен помехоподавительный резистор 5 10 ком (например, свечи зажигания FE65PR и PE65CPR). Во многих системах зажигания применены провода высокого напряжения с помехоподавительным резистором, закрепленным на контактном наконечнике, надеваемом на контактную головку свечи зажигания. Свечи зажигания маркируют буквами и цифрами в зависимости от размеров их резьбовой части, калильного числа и конструктивных особенностей. Например, отечественные свечи типа А17ДВ расшифровываются следующим образом: буква А указывает резьбу вворачиваемой части M14 1,25; 17 характеризует калильное число; Д указывает длину резьбовой части корпуса свечи (Д = 19 мм, Н = 11 мм и т. п.); В предупреждает о выступающем за торец корпуса тепловом конусе изолятора. Свеча фирмы «Бош» WR7DCR имеет следующую расшифровку маркировки: W резьба вворачиваемой части 14 1,25 с размером под ключ 5W21 или 5W16; R указывает на наличие помехоподавляющего резистора; 7 калильное число (от 06 до 13); D длина резьбовой части равна 19 мм с нормальным положением теплового конуса и тремя электродами «массы» (А длина резьбы 12,7 мм с нормальным положением теплового конуса, В длина резьбы 12,7 мм с выступающим конусом, С длина резьбы 19 мм с нормальным положением теплового конуса и т. д.); С указывает материал центрального электрода (С никель-медь, 5 серебро, Р платина, 0 стандартная свеча с усиленным электродом); R сопротивление обгорания равно 1 ком. Отечественным свечам зажигания типа А17ДВ и А17ДВ-Ю соответствуют зарубежные свечи «Бош» W7DС и «Беру» 14-7DU. Датчик-распределитель зажигания (см. рис. 2.2) выдает управляющие импульсы тока низкого напряжения и распределяет импульсы тока высокого напряжения по свечам зажигания. Датчики-распределители зажигания на отечественных автомобилях и автомобилях зарубежного производства имеют аналогичную конструктивную схему, отличающуюся типом магнитоэлектрических бесконтактных датчиков, наличием или отсутствием одного из регуляторов опережения зажигания (центробежного или ваку- 144

146 чей зажигания при работающем двигателе, так как это может послужить причиной выхода из строя распределителя или коммутатора. При применении транзисторной бесконтактной системы зажигания с индукционным магнитоэлектрическим датчиком работа схемы аналогична системе с датчиком Холла. Магнитоэлектрический индукционный датчик представляет собой однофазный генератор переменного тока с ротором на постоянных магнитах. При этом число пар полюсов ротора соответствует числу цилиндров двигателя. Положительные полупериоды изменения напряжения генератора служат сигналом для открывания транзистора, формирующего первичный ток коммутатора, и соответствующего моменту искрообразования между электродами свечей зажигания. Энергия искрообразования в такой системе зависит от частоты вращения двигателя. Для обеспечения требуемого высокого напряжения на малых частотах вращения двигателя в систему вводят специальный формирующий каскад, увеличивающий потребление тока в схеме с индукционным датчиком до 5 8 А, что способствует интенсивной разрядке аккумуляторной батареи на малых частотах вращения коленчатого вала двигателя. В контактной и бесконтактной системах опережение зажигания автоматически изменяется в зависимости от частоты вращения коленчатого вала при помощи центробежного регулятора, а в зависимости от режима работы двигателя (степени разрежения в смесительной камере) при помощи вакуумного регулятора. Центробежный регулятор опережения зажигания состоит из двух грузиков, расположенных на приводном валике и взаимосвязанных пружинами. В контактной системе грузики имеют штифты, входящие в прорези пластины кулачка прерывателя, а в бесконтактной системе грузики взаимодействуют с ведомой пластиной, сидящей на оси ротора и жестко связанной с экраном. Таким образом, в зависимости от положения грузиков пластина кулачка прерывателя и ведомая пластина с экраном могут поворачиваться относительно оси ротора. С увеличением частоты вращения коленчатого вала грузики под действием центробежных сил расходятся в стороны и поворачивают в контактной системе пластину с кулачком, а в бесконтактной системе пластину с экраном на определенный угол в направлении вращения приводного валика. В результате этого будет обеспечиваться в одном случае более раннее размыкание контактов, в другом более ранняя выдача импульсов тока высокого напряжения, т. е. увеличивается опережение зажигания. С уменьшением частоты вращения инерционная 146

148 контроллер выбирает из памяти требуемый угол опережения зажигания и в строго определенный момент выдает сигналы зажигания на коммутатор. В зависимости от положения дроссельной заслонки и частоты вращения коленчатого вала контроллер включает или отключает запорный электромагнитный клапан топливного жиклера холостого хода, обеспечивая экономию бензина на режимах принудительного холостого хода (торможение двигателем) и мгновенную остановку двигателя после выключения зажигания. Коммутатор преобразует управляющие импульсы микроэлектронного датчика в импульсы тока в первичной обмотке катушки зажигания. В цифровой системе зажигания применяется двухканальный коммутатор. В системе задействованы датчики синхронизации, установленные на картере сцепления и предназначенные для синхронизации работы контроллера с ВМТ поршней первого и четвертого цилиндров и угловым положением коленчатого вала. Оба датчика одинаковые, индукционного типа, генерирующие импульс напряжения при прохождении в их магнитном поле ферромагнитного предмета (в данном случае зуба венца маховика или маркерного штифта). Для выбора угла опережения зажигания в зависимости от «горячего» или «холодного» состояния двигателя служит датчик температуры охлаждающей жидкости. Датчик полупроводниковый, со встроенной микросхемой установлен на выпускном патрубке охлаждающей «рубашки» двигателя. В зависимости от температуры жидкости изменяется напряжение на выходе датчика, преобразуемое в контроллере в сигналы низкого (температура ниже 50 С) и высокого (температура выше 50 С) уровня. В схеме применены две катушки зажигания на четыре цилиндра. Одна катушка генерирует высоковольтные импульсы на свечи первого и четвертого цилиндров, а другая на свечи второго и третьего цилиндров. Причем искровой разряд происходит одновременно на двух свечах зажигания, т. е. на два оборота коленчатого вала (четыре такта) в каждом цилиндре происходит два искровых разряда: один рабочий (конец такта сжатия), а второй холостой (конец такта выпуска отработавших газов). Иногда, в целях увеличения надежности работы системы зажигания на каждый цилиндр устанавливают свою катушку, чтобы получить бесконтактное распределение высоковольтного напряжения при двухканальном коммутаторе. Одной из распространенных систем, управляющих работой карбюратора и системой зажигания двигателей зарубежных автомобилей (в частности, «БМВ»), является система «Экотроник». 148

150 ME и др.), объединяющая системы управления зажиганием и питанием (впрыском). Управление осуществляется контроллером, представляющим собой специализированную микроэвм, обрабатывающую по программе импульсы датчиков систем зажигания и питания согласно заложенному алгоритму ОСВЕЩЕНИЕ И СИГНАЛИЗАЦИЯ Приборы освещения и сигнализации автомобиля предназначены для обеспечения безопасности движения и удобства его эксплуатации в любое время суток и при различных условиях дорожного и внедорожного движения, а также на стоянках и при остановке на дороге. К приборам освещения относятся фары (одинарные или блокфары), габаритные передние и задние фонари, фонари освещения заднего номерного знака, фонари освещения салона и багажного отделения, лампочки освещения отсека расположения двигателя (моторного отсека) и вещевого ящика, а также лампы подсветки панели управления и различных шкал. На некоторых зарубежных автомобилях устанавливают еще фонари боковой подсветки и дневного освещения. К приборам световой сигнализации относятся передние и задние сигнальные фонари; повторители сигналов поворота; сигналы торможения, устанавливаемые сзади; задние светоотражатели; фонарь освещения номерного знака; контрольные лампы и индикаторы на панели приборов, электронные реле-прерыватели и выключатели. Отражатели сигнальных фонарей поворота имеют оранжевый цвет, стоп-сигналы и задние габаритные фонари красный. Приборы освещения и сигнализации, устанавливаемые с внешней стороны автомобиля, размещены в блоках, представляющих собой комбинацию световых приборов с определенным функциональным назначением. Форма блоков может быть самой различной, определяемой назначением и дизайном автомобиля. Включение приборов освещения и сигнализации производится водителем в зависимости от характера совершаемых маневров на дороге, погодных условий, условий движения, стоянки и т. п. Как правило, выключатели указателей поворота дальнего и ближнего света расположены на рулевой колонке в районе рулевого колеса. Сигнальные лампы указателей поворота горят мигающим светом с частотой 1 2 Гц, обеспечиваемым электронным реле-пре ры- 150

152 сти корпуса фары. На ряде автомобилей установлен гидрокорректор фар, служащий для корректировки водителем из автомобиля угла наклона света фар в зависимости от нагрузки на автомобиль. Рабочий цилиндр гидрокорректора установлен на панели приборов, а исполнительные цилиндры закреплены на фарах. Рабочий и исполнительный цилиндры заполнены низкозамерзающей жидкостью и соединены трубопроводами. На ряде отечественных автомобилей и их модификациях установлены прямоугольные фары с галогенными двухнитиевыми лампами ближнего и дальнего света, и там же размещена лампа габаритного света. Например, на автомобилях ВАЗ блок-фара прямоугольной формы объединена с указателем поворота, а в нижней части рефлектора фары находится лампа габаритного света. Фары аналогичной формы имеют и многие зарубежные автомобили, например «Рено», «Шевроле», «Хонда» и др. На ряде вариантов отечественных и зарубежных автомобилей дополнительно к головным фарам или блок-фарам размещены противотуманные передние и задние фары. Задние фонари практически всех марок автомобилей представляют собой комбинацию секций с лампами различного функционального назначения. Задние фонари могут состоять из секций с лампами габаритного света, заднего хода, сигналов торможения и поворота, а также противотуманного фонаря. Задние фонари установлены с правой и левой сторон автомобиля и являются зеркальным отражением друг друга. Задний фонарь большинства автомобилей имеет пять секций с лампами указателя поворота, габаритного света, сигнала торможения, света заднего хода и противотуманного света. На некоторых автомобилях вместо увеличения количества секций задействованы двухнитевые лампы, каждая из нитей которых выполняет свою функциональную задачу. В частности, двухнитиевая лампа заднего фонаря может выполнять одновременно функции габаритного света и сигнала торможения. В зависимости от конструктивного исполнения на ряде автомобилей количество ламп может быть большим, а количество секций меньшим. Например, на автомобилях ВАЗ вместо пяти задний фонарь имеет четыре секции, в одной из которых установлены две лампы: габаритного и противотуманного света. Передние указатели поворота могут быть составной частью блок-фары или крепиться к фаре, составляя с ней единый блок. В некоторых конструкциях указатели поворота установлены отдельно или расположены рядом с фарой. 152

154 Лампочки освещения моторного отсека вещевого (перчаточного) ящика, багажника и подсветки приборов состоят из пальчиковых лампочек, установленных в патронах, которые размещены в местах, обеспечивающих наиболее эффективное освещение пространства, шкалы прибора или комбинации приборов на передней панели КОНТРОЛЬНО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ И ДРУГИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ Контрольно-измерительные приборы информируют водителя о работе и состоянии двигателя, а также всех систем автомобиля, обеспечивающих его работоспособность и безопасность движения. К контрольно-измерительным приборам относятся контрольные электрические приборы и лампы, установленные на панели приборов, а также датчики и выключатели. Контрольно-измерительный прибор состоит из датчика и указателя со шкалой или контрольной лампочкой. Датчик размещают непосредственно в месте контроля того или иного параметра. Датчик представляет собой электромеханическое устройство, преобразующее изменение параметров физической величины в изменение электрического тока или напряжения, пропорциональных данному параметру. Указатель расположен в комбинации приборов на панели приборов и состоит из корпуса, постоянного дискового магнита, электромагнита с обмотками, стрелки-указателя, установленной на одной оси с постоянным магнитом, и цифровой шкалы с делениями или цветовой шкалы с зонами разного цвета. При изменении контролируемого параметра (давления, температуры и др.) от датчика подается ток в обмотки электромагнита указателя, создается магнитное поле, взаимодействующее с магнитным полем постоянного магнита и вызывающее изменение положения стрелкиуказателя. Комбинация приборов на панели автомобиля включает в себя ряд указателей и контрольных ламп, основными из которых для автомобиля любого исполнения являются спидометр; электронный тахометр (на ряде автомобилей не устанавливается); указатель уровня топлива, указатель температуры охлаждающей жидкости, вольт метр, эконометр (устанавливается на отечественных и некоторых зарубежных автомобилях) и контрольные лампы включения освещения и световой сигнализации, падения давления масла 154

156 Указатель уровня масла в двигателе (отечественные автомобили не оборудованы) имеет три зоны на шкале: максимальный уровень, средний уровень, опасно низкий уровень. Вольтметр контролирует напряжение в электрической цепи при включенном зажигании: при неработающем двигателе он указывает напряжение на клеммах аккумуляторной батареи, при работающем двигателе напряжение, вырабатываемое генератором. Шкала вольтметра также имеет три зоны: нормальной работе источников тока соответствует средняя зона, при малом заряде аккумуляторной батареи и неисправности регулятора напряжения или генератора стрелка уходит в левую зону, при повышенном напряжении или перезаряде аккумуляторной батареи в правую зону. При нахождении стрелки-указателя в крайних левой или правой зонах необходимо выключить зажигание и выявить причину неисправности. Эконометр информирует водителя о наиболее экономичном режиме работы двигателя на той или иной передаче. Эконометр представляет собой вакуумметр, измеряющий разрежение во впускном трубопроводе двигателя. Чем больше разрежение во впускном трубопроводе (дроссельная заслонка прикрыта), тем меньше расход топлива. При открытой дроссельной заслонке разрежение мало, расход топлива увеличивается. Таким образом, стрелка указателя в зависимости от нагрузки двигателя будет изменять свое положение от зеленой до красной зон. Эконометр позволяет водителю поддерживать наиболее экономичный режим работы двигателя путем регулирования положения дроссельной заслонки (белая зеленая зоны). На ряде зарубежных автомобилей на панели приборов установлен бортовой компьютер с дисплеем и кнопкой включения. При поочередном нажатии на кнопку на дисплей выдается последовательно следующая информация: количество топлива в баке, запас хода по топливу на данный момент, средний расход топлива, температура наружного воздуха, текущий расход топлива, средняя скорость, пройденное расстояние. На автомобиле применяются различные выключатели: выключатель контрольной лампы уровня тормозной жидкости, выключатель контрольной лампы стояночного тормоза, выключатель фонарей заднего хода и сигнальных фонарей торможения и т. д. Выключатели представляют собой, как правило, подпружиненный шток, перемещение которого вызывает замыкание или размыкание электрической цепи. Для защиты электрических цепей при перегрузках и коротких замыканиях применяют предохранители. Широкое применение 156

158 КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. Назовите основные системы и устройства электрооборудования автомобиля. 2. Как работают аккумулятор и генератор, обеспечивающие электроснабжение автомобиля? 3. Какие устройства входят в систему пуска двигателя? 4. Как устроены системы зажигания карбюраторного двигателя и с непосредственным впрыском бензина? 5. Назовите приборы освещения, сигнализации и контроля автомобиля.

160 шее число ступеней в коробке передач, но это усложняет конструкцию трансмиссии и управление автомобилем, повышает утомляемость водителя, особенно в городских условиях, что обычно сопровождается ухудшением безопасности движения. Применение же механических бесступенчатых трансмиссий, как правило, значительно усложняет конструкцию трансмиссии и автомобиля в целом. Устанавливаемые на легковых автомобилях гидромеханические трансмиссии состоят из гидродинамического и механических агрегатов. Гидродинамический агрегат обеспечивает в определенных пределах плавное автоматическое изменение крутящего момента, передаваемого на ведущие колеса, и частоты их вращения в зависимости от условий движения. Кроме того, этот агрегат частично выполняет функции сцепления, поэтому сцепление в гидромеханических трансмиссиях может отсутствовать. К достоинствам гидромеханической трансмиссии относятся легкость и простота управления, что способствует безопасности двидения; снижение динамических нагрузок в трансмиссии; наличие автоматического диапазона регулирования; обеспечение оптимального режима работы двигателя. Недостатками гидромеханической трансмсиссии являются более низкий КПД по сравнению с механической трансмиссией, сложность и высокая стоимость агрегатов. Трансмиссия автомобиля с задним приводом представлена на рис. 3.1, а. Трансмиссия полноприводного автомобиля (рис. 3.1, б) состоит из сцепления, коробки передач, раздаточной коробки, карданных передач, главных передач, дифференциалов (межколесных и межосевого) и приводов ведущих колес. Крутящий момент от двигателя 1 через сцепление 2 передается к коробке передач 3 и от нее через карданную передачу 4 к раздаточной коробке 5. В раздаточной коробке момент распределяется между передним 14 и задним 8 ведущими мостами автомобиля поровну межосевым дифференциалом 6. От раздаточной коробки крутящий момент через карданные передачи 7 и 13 подводится к главным передачам 9 ведущих мостов и через дифференциалы 10 и приводы 11, 16 к задним 12 и передним 15 ведущим колесам. В межколесных дифференциалах 10 момент распределяется поровну между правыми и левыми колесами каждого моста. Привод ведущих колес заднего моста включает в себя только полуоси. Привод колес переднего моста состоит из двух карданных передач, каждая из которых имеет по два карданных шарнира равных угловых скоростей. Это обеспе- 160

162 3.2. СЦЕПЛЕНИЕ Фрикционные сухие сцепления. Сцепление предназначено для кратковременного разъединения двигателя и трансмиссии и плавного их соединения. Во включенном состоянии сцепление передает крутящий момент от двигателя к коробке передач. Временное разъединение двигателя и трансмиссии необходимо при переключении передач, торможении и остановке автомобиля, а плавное соединение после переключения передач и при трогании с места. На легковых автомобилях в большинстве случаев установлены фрикционные сухие однодисковые (по числу ведомых дисков) постоянно замкнутые сцепления с пружинным нажимным устройством и гасителем крутильных колебаний, расположенном в ведомом диске. Нажимные пружины, как правило, центральные диафрагменные (тарельчатые). По способу действия сцепления подразделяют на неавтоматические и автоматические. При этом автоматическим может быть или само сцепление (центробежное) исходя из принципа его работы или система управления, обеспечивающая работу неавтоматического сцепления по требуемому алгоритму без вмешательства водителя. Приводы выключения сцепления могут иметь механическое или гидравлическое исполнение. Часто применяют механический тросовый привод достаточно надежный, простой и дешевый. На большинстве автомобилей (в том числе и ВАЗ) установлено однодисковое сухое сцепление с центральной диафрагменной пружиной и гидравлическим или механическим приводом. Сцепление имеет один ведомый диск, а ведущие и ведомые его части прижимаются друг к другу центральной пружиной. Крутящий момент от двигателя сцепление передает за счет сил сухого трения. Усилие от педали к вилке выключения сцепления передается через жидкость или с помощью троса. В полуцентробежном сцеплении давление на нажимной диск создается периферийно расположенными пружинами и центробежными грузиками, выполненными вместе с рычагами выключения. Пружины подбирают так, чтобы их усилие обеспечивало коэффициент запаса сцепления, близкий к единице, а добавочное усилие создавалось центробежными грузиками. Усилие центробежных грузиков, изменяющееся в зависимости от угловой скорости коленчатого вала двигателя по параболическому закону, суммируется c усилием пружин. Поэтому при трогании автомобиля, а 162

164 казанном на рис. 3.2, а. Фиксация обусловлена тем, что этот диск удерживается рычагами 5 выключения, концы которых упираются в подшипник муфты 6 выключения. Перемещению вправо самого подшипника вместе с нажимной муфтой препятствует упор 7 (на рис. 3.2, б не показан). Нажимной диск 1 отжимными пружинами 8 подтягивается к реактивному диску 2, что обеспечивает необходимый зазор между ведущими и ведомыми элементами сцепления. По мере увеличения угловой скорости коленчатого вала двигателя центробежные грузики 9 под действием центробежных сил расходятся и, упираясь пятками в нажимной диск 1 и реактивный диск 2, заставляют нажимной диск перемещаться влево, создавая при этом давление на ведомый диск. При небольшой деформации пружин 4, что имеет место даже при малом увеличении угловой скорости, рычаги выключения 5 поворачиваются на опорах и между концами рычагов и подшипником 6 муфты выключения образуется необходимый зазор. При торможении автомобиля до полной остановки сцепление автоматически выключается, не позволяя двигателю остановиться. Для переключения передач необходимо принудительно выключать сцепление при помощи педали. Для торможения двигателем при малых скоростях движения (например, на спуске), а также для пуска двигателя буксированием автомобиля необходимо отодвинуть упор 7, для чего предназначен специальный привод (с места водителя). В этом случае сцепление включается под действием пружин 4, которые упираются в картер 3, и становится постоянно замкнутым. Центробежное сцепление автоматизирует управление лишь частично. В некоторых конструкциях автоматических сцеплений центробежное сцепление применено в качестве одного из его элементов. Гидравлические муфты. Для получения плавного разгона и улучшения динамических качеств в трансмиссиях иногда применяют гидравлические агрегаты, например гидравлические муфты. Рассмотрим устройство гидравлической муфты (рис. 3.3, а). К фланцу ведущего вала 1 (например, коленчатого вала двигателя) прикреплен кожух 2 муфты, с которым жестко связано лопаточное колесо 3, называемое насосным колесом. С ведомым валом 5 соединено второе лопаточное колесо 4, называемое турбиной. Насос и турбина выполнены с радиальным расположением лопаток. Гидравлическая муфта заполняется на % полного объема специальной жидкостью (например, маловязким минеральным маслом). Если при неподвижном ведомом вале 5 ведущий вал 1 с насосным колесом 4 начнет вращаться, то жидкость, заполняющая насос 3, также будет вращаться вместе с насосом и одновременно, 164

166 чения, равного моменту на насосе, происходит автоматически. Однако КПД гидротрансформатора ниже КПД гидромуфты. Если реактор (один или несколько) установить на муфте 7 свободного хода, получится комплексная гидропередача (рис. 3.3, в), которая может работать в режиме гидротрансформатора (когда реактор заклинен и не вращается) или в режиме гидромуфты (когда реактор расклинен и свободно вращается), позволяя получить положительные свойства на каждом из режимов. Для обеспечения механической связи между насосом и турбиной в гидротрансформаторах и комплексных гидропередачах устанавливают блокировочный фрикцион Ф г. Гидромуфты на автомобиле в качестве самостоятельного агрегата, выполняющего функции сцепления, не используют, так как они не могут обеспечить чистоты выключения. Кроме того, большой момент инерции турбинного колеса не дает возможности безударного переключения передач. Поэтому в тех случаях, когда конструкторы применяли гидромуфту, последовательно с ней приходилось устанавливать фрикционное сцепление. При этом фрикционное сцепление служит лишь для переключения передач, а функцию буксования выполняет гидромуфта. Это дает возможность применять во фрикционном сцеплении пружины, обеспечивающие минимальный коэффициент запаса, облегчая, тем самым, управление сцеплением. При установке на автомобиле гидромуфты увеличивается плавность трогания автомобиля с места, устойчивость движения в тяжелых дорожных условиях с малой скоростью при достаточно высокой угловой скорости коленчатого вала двигателя и большом крутящем моменте (за счет проскальзывания гидромуфты); снижаются динамические нагрузки в трансмиссии; разобщение двигателя и трансмиссии при торможении происходит автоматически, когда скорость автомобиля снижается, что не позволяет двигателю остановиться. Однако гидромуфты не получили широкого применения в первую очередь потому, что при их установке снижается топливная экономичность автомобиля, причиной чего является неизбежное проскальзывание при передаче мощности, которая расходуется на нагрев жидкости. При передаче максимальной мощности потери на проскальзывание составляют 1 3 %. Вторая причина, препятствующая широкому применению гидромуфт, связана с увеличением сложности, металлоемкости и стоимости такой трансмиссии. Автоматическое управление сцеплением. Электромагнитные сцепления представляют один из видов сцеплений с автоматиче- 166

168 Рис Схема электровакуумного привода сцепления: 1 шток; 2 вакуумный цилиндр; 3 поршень; 4 якорь; 5 электромагнит; 6 седло; 7 вакуумный клапан; 8 клапанное устройство; 9 седло якоря; 10 блок управления; 11 генератор; I, II атмосферные выводы; III впускной трубопровод плотно закрывает центральное отверстие вакуумного клапана 7, связывающего вакуумный цилиндр с впускным трубопроводом III. В этом положении обе полости вакуумного цилиндра сообщены с атмосферой выводами I и II. При воздействии водителя на рычаг управления коробкой передач электрическая цепь замыкается и ток поступает в обмотки электромагнита 5. Под действием электромагнитного поля якорь 4 перемещается влево, открывая центральное отверстие вакуумного клапана 7 и сообщая правую полость цилиндра 2 с впускным трубопроводом. Одновременно вакуумный клапан 7 садится на седло 9, прерывая связь правой полости цилиндра (вывод II) с атмосферой. Благодаря создавшейся разности давления на поршень 3, последний перемещается и через рычаг и гидропривод выключает сцепление, что позволяет включить необходимую передачу в коробке передач. При максимальном значении силы тока в обмотках электромагнита сцепление полностью выключено, а при уменьшении силы тока сцепление постепенно включается. Сила тока зависит от угловой скорости коленчатого вала двигателя. При увеличении угловой скорости вакуум снижается. Одновременно с этим блок управления снижа- 168

170 сцепления: принудительное выключение на период переключения передач и при снижении частоты вращения коленчатого вала до уровня, соответствующего режиму холостого хода двигателя; принудительную блокировку, гарантирующую его работу без пробуксовки, после того как в процессе разгона автомобиля отпадает надобность в получении разности частот вращения коленчатого вала двигателя и ведущего вала коробки передач; регулирование момента трения по заданным законам во время разгона автомобиля в целях наименьшего буксования при одновременном сохранении высоких тягово-скоростных качеств автомобиля. Первые два режима реализуются достаточно простыми средствами, поскольку для них необходимо только выработать команды либо полного включения, либо полного выключения сцепления. Последний режим, особенно с учетом того, что регулирование момента трения должно выполняться по законам, пред - усматривающим оптимальную работу сцепления при самых разнообразных условиях движения автомобиля, осуществить гораздо труднее. Но электронике это по силам, поскольку она может фотографически точно воспроизвести самые эффективные варианты действий водителя при обычном (неавтоматическом) управлении сцеплением. Возьмем, к примеру, режимы трогания автомобиля с места и его разгон. При неавтоматизированном управлении передаваемый сцеплением крутящий момент во время нажатия водителем на педаль подачи топлива (т. е. при увеличении частоты вращения коленчатого вала) и одновременном отпускании педали сцепления возрастает. Очевидно, что при переходе на автоматическое управление сцеплением такой закон регулирования крутящего момента должен быть сохранен. У водителя остается только одна функция нажимать на педаль подачи топлива. Функцию же управления отпусканием педали сцепления берет на себя электроника, реагирующая на положение педали подачи топлива или на частоту вращения коленчатого вала, или на то и другое одновременно. Системой, реагирующей на положение педали подачи топлива, является, например, «Драйв-Матик» (Drive-Matic) (pиc. 3.5) фирмы «Петри унд Леер», выпускаемая в Германии в качестве оборудования автомобилей, предназначенных для инвалидов. Исполнительное устройство этой системы представляет собой вакуумную сервокамеру 1, между корпусом которой и диафрагмой 3 располагается полость 2 регулируемого режима. При установке рычага 11 переключения передач в нейтральное положение и отпущенной педали подачи топлива 8 расположенные в рукоятке 10 рычага

172 ресиверу 27. Сцепление выключается (позиция II). Чтобы автомобиль начал движение, водитель нажимает педаль 8 подачи топлива. При этом контакты микровыключателя МВх размыкаются, и цепь питания обмотки электромагнита 26 размыкается. Вследствие этого клапан 25 закрывается, отсекая полость 2 сервокамеры от ресивера. Но поскольку обмотка электромагнита 16 остается под напряжением, воздушный клапан 24 оказывается также закрытым, и разрежение в полости 2 вакуумной камеры определяется только положением золотника 19. Дело в том, что корпус 18 золотника установлен по отношению к его поворотному элементу 20 таким образом, что при отпущенной педали 8 подачи топлива и расположении штока 4 вакуумной камеры в крайнем левом положении (полностью выключенное сцепление) каналы 22 и 23 золотника соединены между собой. Одновременно и полость 2 сервокамеры через каналы 17 и 21 соединяется с атмосферой, что приводит к постепенному уменьшению в ней разрежения и, как следствие, к перемещению штока 4 слева направо. Движение штока будет продолжаться до тех пор, пока элемент 20, поворачиваемый этим штоком, не разобщит каналы 22 и 23. Как только это произойдет, шток 4 прекратит движение, поскольку связь полости 2 сервокамеры с атмосферой прерывалась. При отладке системы элементы золотника устанавливают таким образом, что при отпущенной педали подачи топлива шток 4 сервокамеры занимает положение, соответствующее началу передачи крутящего момента сцеплением. Этот период работы носит название «режим быстрого свода дисков». При дальнейшем перемещении педали 8 подачи топлива трос 9 поворачивает элемент 20, соединяя каналы 22 и 23. Это повлечет за собой соединение полости 2 сервокамеры с атмосферой и дальнейшее перемещение штока в направлении включения сцепления. Перемещение прекратится, когда шток 4 опять установится в положение, соответствующее разобщению каналов 22 и 23. Очевидно, что чем на больший угол была открыта дроссельная заслонка, тем дальше в направлении включения сцепления должен перемещаться шток 4 до положения, при котором произойдет разобщение каналов 22 и 23. Угол открытия дроссельной заслонки изменяется от минимального в позиции III до максимального при полностью открытом дросселе в позиции I. После того как автомобиль разгонится до скорости срабатывания датчика 12, сигнал от этого датчика поступает на электронный блок 13. Последний отключает от «массы» свою клемму К, разрывая тем самым цепь питания обмотки электромагнита 16. В результате воздушный клапан 24 открывается, 172

174 ные включение и выключение сцепления. Регулирование же передаваемого сцеплением крутящего момента осуществляется при помощи дополнительных механических или пневматических устройств управления. На электронную систему обычно возлагают лишь функции включения и выключения электромагнитных клапанов с учетом сигналов, поступающих от соответствующих датчиков или выключателей. Благодаря этому электронные блоки рассматриваемых систем представляют собой сравнительно простые устройства. Автоматическое сцепление английской фирмы «Аутомотив Продактс» (АР) позволяет использовать только две педали управления автомобилем с механической коробкой передач. Эта конструкция основана на старой концепции, возрожденной с помощью электроники. Идея простая: сцепление отключается, как только водитель берется за рычаг переключения передач, и включается снова, когда осуществлен переход на очередную ступень. В предложенной фирмой АР системе сцепления (рис. 3.6) имеется гидравлический привод высокого давления, который связан с управлением дроссельной заслонкой во время переключения передач с помощью шагового электродвигателя. В результате частота вращения коленчатого вала может быть оптимизирована для каждого переключения ступеней, что устраняет участие в этом человека и риск возможного перегрева механизма, рывков и потери скорости автомобиля. Микропроцессор получает информацию от выключателей 7, связанных с рычагом переключения передач, и приводит в действие гидропривод сцепления. Крутящий момент, передаваемый сцеплением, определяет специальное нагрузочное устройство, которое выдает сигнал только когда передача включается или выключается, а не во время перемещения рычага 6 по направлению к той ступени, которая уже включена. Это предотвращает неожиданное выключение сцепления, когда рука водителя лежит на рычаге в ожидании следующего переключения. Выключатель реагирует только на перемещение рычага вперед и назад и не воспринимает легкие толчки. Информация о частоте вращения коленчатого вала и включенной ступени вводится в электронный модуль. Датчик включенной ступени также позволяет предотвратить трогание автомобиля с места на любой передаче, кроме первой или второй. Другие датчики выдают информацию о положении педали подачи топлива 11 и ходе штока рабочего цилиндра 4 привода сцепления (датчики 10 и 3 соответственно). Рабочий цилиндр 4 приводится в действие гидравлическим блоком питания 5, состоящим из электронасоса и запасного бачка для жидкости под 174

176 Рис Система автоматического управления сцеплением ACTS: 1 гидравлический блок; 2 резервуар; 3 электродвигатель; 4 6, 10, 11 датчики; 7 электронный блок; 8 выключатель; 9 рукоятка рычага переключения передач; 12 рычаг сцепления; 13 гидроцилиндр сцепления ствия привода сцепления применен гидравлический блок 1, в состав которого входят резервуар 2 гидросистемы, гидронасос с электродвигателем, гидроаккумулятор и электромагнитный клапан регулирования давления жидкости в исполнительном гидроцилиндре 13 привода рычага 12 сцепления. В этом гидроцилиндре находится датчик 11 положения его штока, который выполняет функции элемента обратной связи (по положению органа привода сцепления). Управление электромагнитным клапаном регулирования давления происходит по командам, поступающим к нему от электронного (микропроцессорного) блока автоматики 7. Этот блок, в свою очередь, работает как по сигналам датчика положения штока гидроцилиндра 13, так и от датчиков 4, 11, 10, 5 (соответственно частоты вращения коленчатого вала двигателя и ведущего вала коробки передач, положения педали подачи топлива, контроля включения передач) и выключателя 8, расположенного в рукоятке 9 рычага переключения передач. В системе ACTS вместо механического привода дроссельной заслонки карбюратора при- 176

178 днего хода. Крутящий момент на ведущих колесах необходимо изменять в соответствии с дорожными условиями для обеспечения оптимальной скорости и проходимости автомобиля, а также для наиболее экономичной работы двигателя. Двигатель и трансмиссию необходимо разъединять на продолжительное время при его работе на холостом ходу (на стоянке, при движении накатом). Задний ход требуется автомобилю для совершения определенных маневров. По характеру изменения передаточных чисел механические коробки передач могут быть двух типов: ступенчатые, имеющие до настоящего времени самое широкое применение, и бесступенчатые, не получившие пока распространения из-за низкой надежности. Ступенчатые коробки передач разделяют на простые (с неподвижными осями валов) и планетарные (с подвижными осями шестерен). Ступенчатая коробка передач представляет собой механизм, состоящий из набора шестерен, которые в различных сочетаниях обеспечивают получение различных передаточных чисел. Поэтому при одном и том же крутящем моменте двигателя можно получить различные ступенчато меняющиеся моменты на ведущих колесах. В простых ступенчатых коробках передач переключение передач осуществляется передвижением шестерен, а если последние находятся в постоянном зацеплении при помощи зубчатых муфт или синхронизаторов. В планетарных коробках передач переключение передач осуществляется затормаживанием и растормаживанием одного или нескольких звеньев планетарных рядов. Коробки передач могут иметь принудительное (неавтоматическое), автоматическое или полуавтоматическое управление. При принудительном управлении переключение передач осуществляется водителем при помощи рычага управления. В коробках передач с автоматическим управлением переключение передач происходит автоматически (без участия водителя) специальным механизмом в зависимости от скорости или сопротивления движения автомобиля, а также от частоты вращения коленчатого вала двигателя. При полуавтоматическом управлении выбор необходимой передачи осуществляется водителем, а процесс включения выбранной передачи автоматически. На большинстве легковых автомобилей установлены ступенчатые коробки передач. Двухвальные коробки передач с числом передач четыре-пять применяют для переднеприводных автомобилей малого класса и заднеприводных с задним расположением 178

180 тых передач этого типа рядом ведущих автомобильных фирм позволяет ожидать, что применение таких передач в ближайшие годы расширится. Из всех типов бесступенчатых передач наиболее широкое внедрение получили гидродинамические (гидротрансформаторы), которые применяют в сочетании с автоматически управляемой ступенчатой коробкой гидромеханические передачи. Почти все зарубежные фирмы, выпускающие легковые автомобили, предлагают устанавливать на своих автомобилях гидромеханические передачи по требованию потребителя за дополнительную плату. Продолжающееся совершенствование гидромеханических передач в направлении повышения КПД и, соответственно, топливной экономичности автомобиля неизбежно приведет к более широкому применению этих передач на автомобилях различного назначения. Потенциально бесступенчатая коробка передач может обеспечить автомобилю оптимальные тягово-скоростные и топливноэкономические свойства. При использовании бесступенчатой коробки передач уменьшается время разгона; облегчается управление, так как изменение передаточного числа осуществляется автоматически; повышается проходимость автомобиля в результате постоянного подведения мощности к ведущим колесам. Фрикционные передачи (часто их называют вариаторами) различают по характеру фрикционной связи между ведущими и ведомыми элементами: с гибкой связью и с непосредственным контактом. Обязательное условие работы фрикционной бесступенчатой передачи коэффициент трения в контакте фрикционных элементов должен превышать коэффициент сцепления ведущих колес автомобиля с дорогой. Общим для всех бесступенчатых фрикционных передач является отсутствие внутренней автоматичности изменения передаточного числа (саморегулирования), поэтому в таких передачах необходим специальный регулятор, реагирующий на нагрузку и скорость движения. Кроме того, необходим механизм трогания (сцепление) и механизм реверса для обеспечения движения задним ходом. При контакте фрикционных элементов в той или иной степени происходит относительное скольжение, что отражается на КПД передачи. Фрикционные бесступенчатые передачи с гибкой связью (клиноременные вариаторы). Передаточное число вариатора регулируется по угловой скорости и нагрузке центробежным и вакуумным регуляторами. Диапазон клиноременного вариатора сравнительно небольшой, но непрерывный, создается бесконечным 180

182 трансформатора в режиме высоких значений КПД на превалирующих эксплуатационных режимах, а также получение передачи заднего хода и нейтрального положения. Гидромеханическая передача применяется на ряде автобусов и грузовых автомобилях большой грузоподъемности. Удельная масса (кг/квт) гидромеханических передач близка к удельной массе ступенчатых коробок передач. Основными причинами, препятствующими более широкому распространению гидромеханических передач, являются повышенная сложность и стоимость (для легковых автомобилей стоимость передачи составляет примерно 10 % стоимости автомобиля), а также несколько повышенный расход топлива. Гидромеханические передачи, применяемые на автомобилях, разнообразны как по конструкции гидротрансформатора, так и по конструкции ступенчатой коробки передач. На легковых автомобилях в большинстве случаев устанавливают трехколесные (насос, турбина, реактор), одноступенчатые (с одной турбиной), комплексные (реактор установлен на муфте свободного хода) гидротрансформаторы. В сочетании с гидротрансформатором на легковых автомобилях применяют двух- или трехступенчатую коробку передач, обычно планетарную с автоматическим управлением (диапазон передаточных чисел 1,8 2,5). Как в одноступенчатых, так и многоступенчатых гидротрансформаторах часто устраивают блокировку гидротрансформатора после перехода на режим гидромуфты, для чего в гидротрансформаторе устанавливают фрикционную муфту. В гидромеханических передачах используют коробки передач как с неподвижными осями валов, так и планетарные, в большинстве случаев с автоматическим управлением. Некоторое распространение получили гидромеханические передачи, объединяющие гидротрансформатор, сцепление и коробку передач. В них гидротрансформатор связан с обычной, стандартной ступенчатой коробкой передач при помощи стандартного сцепления (иногда с автоматическим приводом), причем переключение передач производится вручную. Достоинством такой передачи является меньшая (примерно в 2 раза) стоимость по сравнению с автоматизированной гидромеханической передачей. В то же время такая конструкция имеет большие размеры и несколько бо льшую металлоемкость. Для этой конструкции достаточно однодискового сцепления, так как оно предназначено только для отключения ведущего вала коробки передач от вала турбины гидротрансформатора при пере- 182

184 Рис Схема гидромеханической передачи с планетарной коробкой передач: I, II планетарные ряды; Т1, Т2 ленточные тормозные механизмы; Ф I Ф III фрикционные муфты ряда II, которое вращается с угловой скоростью турбины гидротрансформатора, солнечное колесо заторможено, ведомым является водило. С угловой скоростью водила ряда II вращается ведущее эпициклическое колесо планетарного ряда I, где также заторможено солнечное колесо, а ведомым является водило. На второй передаче включены фрикционная муфта Ф I и тормозной механизм T2. Эпициклическое колесо планетарного ряда II вращается свободно, так как фрикционная муфта Ф II выключена. Эпициклическое колесо планетарного ряда I вращается с угловой скоростью турбины гидротрансформатора. Солнечное колесо заторможено, ведомым является водило. На третьей передаче включены фрикционные муфты Ф I, Ф II и тормозной механизм T2. Эпициклическое колесо и водило планетарного ряда II вращается с угловой скоростью турбины гидротрансформатора. С такой же угловой скоростью вращаются эпициклическое колесо и водило планетарного ряда. Таким образом, передаточное число третьей передачи равно единице (прямая передача). На передаче заднего хода включены фрикционная муфта Ф II и тормозной механизм Т1. Заторможено водило планетарного ряда II (ведущее) и эпициклическое колесо. Солнечное колесо вращается в обратном направлении. Эпициклическое колесо планетарного ряда I заторможено, ведущим является солнечное колесо планетарного ряда I, ведомым водило. При нейтральном положении включен тормозной механизм Т2. При торможении двигателем включены фрикционные муфты Ф I, Ф II, Ф III, тормозной механизм Т2. Муфта свободного хода заблокирована на первой и второй передачах, передаче заднего хода и в нейтральном положении. 184

186 Элементы охлаждения циркулирующей в гидротрансформаторе жидкости. Для охлаждения применяют оребрение наружной поверхности насосного колеса и специальный радиатор для прокачивания рабочей жидкости. Масляный насос системы автоматического управления коробкой передач, приводимый от вала турбины, создает некоторое избыточное давление в круге циркуляции, что позволяет жидкости поступать в радиатор. Температура жидкости должна находиться в пределах С. Избыточное давление в круге циркуляции необходимо также для восполнения утечек жидкости из рабочей полости и предупреждения кавитационных явлений, приводящих к снижению КПД, возникновению вибраций и коррозии лопастей. Управление ступенчатой коробкой передач обычно автоматическое. Момент переключения передач определяется по двум параметрам регулирования: скорости движения и нагрузке двигателя (положение педали подачи топлива). Система гидравлического управления переключением передач включает в себя: масляные насосы, создающие давление в гидролинии в пределах 0,4 0,7 МПа; обычно один из них приводится от вала турбинного колеса, другой от ведомого вала коробки передач; датчик скорости центробежного типа; датчик нагрузки, связанный с педалью подачи топлива; золотники управления, фильтры, перепускные и обратные клапаны, микровыключатели и другие устройства, обеспечивающие работу управления; контроллер для выбора режима, управляемый водителем. Масляная система (рис. 3.9, а) является исполнительной частью автоматического управления. При помощи двух масляных насосов переднего 13, приводимого от двигателя, и заднего 1, приводимого от промежуточного вала коробки передач, в главной магистрали масляной системы и в ее ответвлениях создается давле- Рис Системы управления гидромеханической передачей: а масляная; б автоматическая; 1, 13 масляные насосы; 2 фильтр тонкой очистки масла; 3, 12 обратные клапаны; 4 перепускной клапан; 5, 6, 11 регуляторы давления; 7 9 выключатели; 10, 24 главные золотники; 14 маслоприемники; 15, 16, 19, 20 электромагниты; 17, 18 переключатели; включатели; 25 рычаг; 26 эксцентрик; 27 центробежный регулятор; А1, А2, 3Х, ПП положения контроллера 186

188 ние, а система автоматического управления в нужный момент направляет масло под давлением к определенному узлу (цилиндр фрикционной муфты, цилиндр блокировки гидротрансформатора). Передний насос нагнетает масло при неподвижном автомобиле и при трогании, а задний насос при движении. Как только давление масла, нагнетаемого задним насосом, становится достаточным, передний насос автоматически отключается и работает на слив. Масло подается также для подпитки гидротрансформатора к клапану управления тормозом-замедлителем, к масляному радиатору для смазывания коробки передач. В масляной системе можно отметить наличие следующих устройств: маслоприемников 14, размещенных в поддоне; регулятора давления 5 в главной магистрали, управляющей подпиткой и отключающей передний насос при достижении заданного давления; регулятора режима давления 11, устанавливающего рабочее давление в главной магистрали в зависимости от положения педали подачи топлива; главного золотника 10; выключателей 7 9 блокировки гидротрансформатора и включения передач; регулятора давления 6 в гидротрансформаторе; обратных клапанов 3 и 12, перепускного клапана 4, масляного фильтра тонкой очистки 2. Система управления (рис. 3.9, б) автоматически переключает передачи в зависимости от перемещения педали подачи топлива и скорости движения автомобиля. Датчиком перемещения педали служит эксцентрик 26, связанный с приводной тягой. При перемещении педали эксцентрик, поворачиваясь, воздействует на рычаг 25, который, в свою очередь, перемещает главный золотник 24. Датчиком скорости служит центробежный регулятор 27, который также воздействует на рычаг 25, перемещающий главный золотник. Чем больше нагрузка (подача топлива) и чем больше скорость движения, тем больше перемещение главного золотника. Включение той или иной передачи зависит от положения главного золотника. Рассмотрим рабочий процесс системы управления на примере включения одной передачи. При определенном положении главного золотника главная магистраль сообщается с каналом одного из включателей 21 23, который замыкает электрическую цепь; ток поступает к одному из электромагнитов 15, 16, 19, 20, которые через переключатели 17 и 18 перемещают золотники периферийных клапанов. При этом масло из главной магистрали поступает в цилиндр соответствующей фрикционной муфты, вследствие чего происходит включение передач. В этой коробке предусмотрен предварительный выбор режима при помощи контроллера, управ- 188

190 ший выбор режимов езды (экономный, спортивный, зимний). При нарушении входных сигналов или повреждении электромагнитных клапанов происходит переключение системы на аварийную программу. Неисправности, возникающие во время пробега автомобиля, накапливаются в запоминающем устройстве и могут быть затем выведены на табло. Момент переключения передач зависит от положения рычага селектора (его называют так, поскольку он служит для выбора режима работы коробки передач), от скорости автомобиля, нагрузки на двигатель и от того, плавно или резко водитель нажимает на педаль подачи топлива. Рычаг переключения диапазонов автоматической коробки передач может находиться в одном из следующих положений: Р стоянка (парковка); R передача заднего хода; N нейтраль; D автоматическое переключение передач (с первой по четвертую); 3 автоматическое переключение передач с первой по третью; 2 автоматическое переключение первой и второй передач; 1 первая передача. При плавном нажатии на педаль подачи топлива во время движения каждая следующая (высшая) передача будет включаться, как только частота вращения коленчатого вала двигателя станет достаточной для перехода на нее. Автомобиль при этом разгоняется плавно. Если водитель нажимает на педаль энергично, передачи станут переключаться несколько позднее, а разгон будет интенсивнее. У коробок последних выпусков есть отдельный переключатель, положения которого N и S соответствуют описанным нормальному и спортивному режимам разгона. На рис показана автоматическая коробка передач, устанавливаемая по желанию заказчика на автомобилях «БМВ» пятой и седьмой серий. Трансмиссия автомобиля «БМВ» может быть с электронным и гидравлическим управлением. В состав автоматической трансмиссии с электронным управлением типа ZF 4HP 22/ EH, которая устанавливается на автомобилях моделей 5201 и 5251, входят автоматическая планетарная коробка передач, гидротрансформатор и ЭБУ. Электронный блок управления объединен с цифровой системой управления двигателем «Мотроник». Переключатель программ позволяет выбрать одну из двух программ переключения передач (режимов разгона) или ручной режим переключения. 190

192 На легковых машинах применяют пять типов коробок передач: механические с ручным переключением, их разновидность с автоматическим приводом сцепления и автоматизированные механические коробки передач. Альтернативой им служат гидромеханические трансмиссии с электронным управлением и все возможные конструкции вариаторов. У всех имеются свои недостатки. Механическая коробка передач безусловный лидер по простоте, дешевизне и эффективности. Однако она проигрывает по комфорту, поскольку принуждает водителя манипулировать рычагом и выжимать сцепление. Автоматический привод последнего решает лишь половину проблемы (при увеличении цены вдвое). Полностью автоматизированная механическая трансмиссия не дешевле гидромеханического «автомата», и, как выяснилось, у нее есть существенный недостаток: гидравлическая система требует высокого давления жидкости и, соответственно, мощного насоса, который приводится в действие двигателем автомобиля. Это не лучшим образом сказывается на расходе топлива в городском цикле, поскольку необходимо обеспечивать повышенную частоту вращения двигателя на холостом ходу. Кроме того, все три разновидности обладают одним неустранимым недостатком они разрывают поток мощности при переключении. Это почти незаметно при плавном разгоне, зато на мощных машинах при быстрой езде пассажиры ощущают явный дискомфорт. Вариатор, безусловно, хорош в городском режиме, но его коэффициент трансформации недостаточно велик для современных скоростных автомобилей с высокооборотными двигателями; КПД его ниже, а стоимость и масса значительно выше, чем у механической коробки передач. Есть и ограничение передаваемая мощность не более 100 квт. Это скорее технологический предел, чем конструктивный. Гидромеханические трансмиссии стали намного совершеннее в последние годы благодаря широкому распространению электроники. Блокировка гидротрансформатора на высших передачах позволила им сравняться в экономичности с механическими коробками передач на шоссе, но в городе на некоторых режимах они попрежнему проигрывают. Виной тому не только постоянная пробуксовка гидротрансформатора, но и привод масляного насоса, который создает высокое давление, сжимающее фрикционы. В результате потери мощности достигают %. Не стоит сбрасывать со счетов и заметную, примерно 5 %, потерю динамических качеств автомобиля она особенно чувствуется на малолитражках. Цена же современного «автомата» даже в условиях массового производства втрое больше, чем механической коробки передач. 192

194 ние ведущую шестерню главной передачи. Главная передача через дифференциал приводит во вращение ведущие колеса автомобиля и одновременно раскручивает второй ведомый вал, на котором расположены синхронизаторы, включающие четные передачи. За время разгона на первой передаче при достижении соответствующей скорости и за счет простого переключения сцеплений на параллельном ведомом валу включается вторая передача. Переход на последующие передачи происходит аналогично, без разрыва потока мощности, неизбежного в простых механических коробках передач. Процесс переключения усложняется при необходимости переключения на более низкую передачу при движении с постоянной скоростью. Алгоритм переключения, заложенный в памяти электронного блока управления, разработан компанией «Ауди». Автомобили с такими коробками передач показывают хорошие результаты по динамике разгона и топливной экономичности ГЛАВНЫЕ ПЕРЕДАЧИ, ДИФФЕРЕНЦИАЛЫ Виды главных передач. Главную передачу, обеспечивающую постоянное увеличение крутящего момента и передачу его к ведущим колесам, выбирают из условий получения заданной максимальной скорости автомобиля на высшей передаче и оптимальной топливной экономичности. Для получения достаточного тягового усилия на ведущих колесах автомобиля крутящий момент двигателя необходимо увеличивать даже на высшей передаче. Устанавливают главную передачу как можно ближе к ведущим колесам, чтобы уменьшить нагрузки на агрегаты трансмиссии, расположенные между двигателем и главной передачей. В настоящее время наибольшее применение на легковых автомобилях получили одинарные шестеренчатые главные передачи: конические со спиральным зубом, гипоидные и цилиндрические (рис. 3.12). Конические шестерни главных передач могут быть с прямыми или со спиральными зубьями. Главные передачи с гипоидным зацеплением применяют, когда оси ведущей 1 и ведомой 2 шестерен не пересекаются в отличие от простой конической передачи, где эти оси пересекаются. Смещение оси ведущей шестерни гипоидной передачи вверх позволяет увеличить дорожный просвет (клиренс) и проходимость машины, а смещение оси вниз позволяет снизить центр тяжести машины и повысить ее устойчивость. У конических шестерен со спиральными зубьями прочность зубьев бо- 194

196 ющееся нагреванием. Следствием этого является разжижение и выдавливание смазки, приводящее к повышенному износу зубьев, для устранения которого необходимо применять специальную смазку. Цилиндрическая главная передача, применяемая при поперечном расположении двигателя в переднеприводных автомобилях, размещается в общем картере с коробкой передач и сцеплением. При этом шестерню главной передачи закрепляют на ведомом валу коробки передач, а иногда выполняют как единое целое с этим валом и устанавливают консольно. При консольной установке шестерни главная передача и дифференциал могут быть несколько сдвинуты в сторону двигателя тем самым уменьшается разница длины полуосей. С той же целью колесо закрепляют на картере дифференциала, обычно с левой по ходу автомобиля стороны. В существующих конструкциях зубья цилиндрической передачи выполняют прямыми («Форд Фиеста»), косыми (ВАЗ, «Фиат Уно»), шевронными («Хонда»). Виды и особенности дифференциалов. Дифференциал служит для распределения подводимого к нему крутящего момента между выходными валами и обеспечивает возможность их вращения с неодинаковыми угловыми скоростями. При движении автомобиля на повороте внутреннее колесо каждой оси проходит меньшее расстояние, чем ее наружное колесо, а колеса одной оси проходят различные пути по сравнению с колесами других осей. Различные пути проходят колеса автомобиля при движении по неровностям на прямолинейных участках и на повороте, а также при прямолинейном движении по ровной дороге в случае неодинаковых радиусов качения колес, например при неодинаковом давлении воздуха в шинах, неодинаковом износе шин, при неравномерном распределении нагрузки на оси автомобиля. Если бы все колеса вращались с одинаковой скоростью, это неизбежно приводило бы к проскальзыванию и пробуксовыванию колес относительно опорной поверхности, следствием чего явились бы повышенный износ шин, увеличение нагрузок в механизмах трансмиссии, затраты мощности двигателя на работу скольжения и буксования, повышение расхода топлива, трудность поворота машины. Таким образом, колеса автомобиля должны иметь возможность вращаться с неодинаковыми угловыми скоростями относительно друг друга. У неведущих колес это обеспечивается тем, что они установлены свободно на своих осях и каждое из них вращается независимо друг от друга. У ведущих колес это обеспечивается установкой в их приводе дифференциалов. 196

198 Рис Симметричные конические дифференциалы с двумя (а) и четырьмя (б) сателлитами: 1 корпус; 2 сателлиты; 3 конические полуосевые шестерни; 4 упорные шайбы вильное зацепление с полуосевыми шестернями. Для уменьшения трения между корпусом дифференциала и торцевыми поверхностями всех его шестерен устанавливают упорные шайбы 4, толщина которых подбирается при сборке дифференциала на заводе. Смазка к трущимся поверхностям дифференциала поступает из картера главной передачи через окна в корпусе дифференциала. Крутящий момент передается от корпуса дифференциала на крестовину и сателлиты. Сателлиты могут рассматриваться как равноплечие рычаги. Они передают крутящий момент на полуосевые шестерни и далее через полуоси на ведущие колеса. Дифференциалы относятся к планетарным механизмам и имеют две степени свободы, что определяет их свойства по соотношению между угловыми скоростями и крутящими моментами отдельных звеньев. У рассматриваемого дифференциала число зубьев обеих полуосевых шестерен одинаково. Поэтому сумма угловых скоростей левой ω 1 и правой ω 2 полуосевых шестерен равна удвоенной угловой скорости ω 0 корпуса дифференциала: ω 1 + ω 2 = 2ω 0, а крутящие моменты обеих полуосевых шестерен (как и моменты ведущих колес) равны при любых соотношениях их угловых скоростей. При прямолинейном движении по ровной поверхности левое и правое ведущие колеса вращаются с одинаковой угловой скоростью. Усилия на зубьях полуосевых шестерен одинаковы, са- 198

200 Для повышения проходимости на некоторых автомобилях применяют самоблокирующиеся дифференциалы, которые обеспечивают передачу большего крутящего момента на колесо, имеющее лучшее сцепление с опорной поверхностью и вращающееся с меньшей угловой скоростью (отстающее колесо) по сравнению с колесом, находящимся на участке с недостаточными сцепными качествами и вращающимся соответственно с большей угловой скоростью (забегающее колесо). Таким образом, суммарная сила тяги обоих колес увеличивается. Отношение момента на отстающем колесе М от к моменту на забегающем колесе М заб называется коэффициентом блокировки: к б = М от /М заб. Оптимальный коэффициент блокировки определяется отношением максимального и минимального коэффициентов сцепления, которое для наиболее характерных условий движения находится в пределах 3 5. Из большого числа различных по принципу действия самоблокирующихся дифференциалов наибольшее распространение получили дифференциалы повышенного трения конические и кулачковые, а также механизмы типа муфт свободного хода. Дифференциалы повышенного трения конструктивно могут быть выполнены различно: шестеренчатыми с фрикционными элементами, червячными, кулачковыми (сухарными), гидравлическими. По рабочему процессу их можно разбить на три группы: с постоянным моментом трения; с моментом трения, пропорциональным передаваемому моменту; с моментом трения, пропорциональным квадрату разности угловых скоростей выходных валов. Коэффициент блокировки дифференциала повышенного трения зависит от потерь на трение и, следовательно, связан с его КПД. Шестеренчатый дифференциал с постоянным моментом трения практически не применяется. Шестеренчатый дифференциал с моментом трения, пропорциональным передаваемому моменту (рис. 3.14), часто применяют на автомобилях высокого класса. Трение в дифференциале создается двумя дисковыми фрикционными муфтами 1 и 4. Крестовина дифференциала составлена из двух половин 2 и 3, которые могут раздвигаться при передаче момента, скользя концами шипов по наклонным поверхностям вырезов 5 в корпусе дифференциала. Чем больше передаваемый момент, тем больше раздвигаются обе части крестовины и тем большее сжимающее усилие действует на фрикционные диски. В гидравлических дифференциалах момент трения, как правило, зависит от квадрата разности угловых скоростей ведомых валов. Применяют межколесные или межосевые конструкции (рис. 3.15), имеющие лопастный масляный насос, ротор 3 которого 200

202 Рис Гидравлический дифференциал: 1 статор; 2, 4 каналы; 3 ротор; 5 черпак лов, а также времени буксования, момент трения гидромуфты увеличивается. Иногда дифференциалы этого типа называют «силиконовыми» по названию применяемой в них жидкости. Крутящий момент от полуосевых шестерен дифференциала к ведущим колесам передается валами, называемыми полуосями. Помимо крутящего момента полуоси могут быть нагружены изгибающими моментами от сил, действующих на ведущее колесо. В зависимости от испытываемых полуосью нагрузок принято их условное деление на полуразгруженные, на три четверти разгруженные и полностью разгруженные. Полуразгруженная полуось воспринимает все усилия и моменты, действующие от дороги. На три четверти разгруженная полуось имеет внешнюю опору между ступицей колеса и балкой моста, поэтому изгибающие моменты от вертикальных, продольных и боковых реакций воспринимают одновременно и полуось, и балка моста через подшипник. Полно- 202

204 няют двухступенчатыми, причем высшая передача имеет передаточное число, равное единице (или около единицы), а низшая (первая) передача около двух. Наличие двух передач увеличивает число ступеней и диапазон изменения передаточного числа трансмиссии автомобиля, что повышает возможность подбора выгоднейшей передачи в соответствии с условиями движения. Часто применяют раздаточные коробки с блокированным приводом, когда приводы всех мостов постоянно жестко связаны друг с другом и всегда вращаются с одинаковыми угловыми скоростями. В таких раздаточных коробках обычно имеется устройство для отключения привода переднего моста, например, при движении в хороших условиях (по твердому покрытию с высоким коэффициентом сцепления), что позволяет снизить расход топлива, уменьшить нагрузки трансмиссии и износ шин. В некоторых конструкциях раздаточных коробок установлен специальный механизм межосевой дифференциал, который распределяет крутящий момент, подводимый от двигателя к раздаточной коробке, на ведущие мосты в необходимом соотношении пропорционально сцепному весу, приходящемуся на эти мосты. Дифференциал также позволяет колесам разных ведущих мостов вращаться с неодинаковыми угловыми скоростями, что устраняет возможность их проскальзывания, уменьшает нагрузки в трансмиссии и износ шин. Применяют дифференциалы с коническими и цилиндрическими шестернями. Для повышения проходимости автомобиля межосевые дифференциалы выполняют с принудительной блокировкой, или самоблокирующиеся. По условию получения максимально возможной тяговой силы распределение момента между мостами полноприводного автомобиля должно осуществляться пропорционально распределению вертикальных нагрузок. Для обеспечения дифференциального привода в раздаточной коробке может быть использован симметричный или несимметричный дифференциал. Симметричный дифференциал в раздаточной коробке применяют в том случае, если в полноприводном двухосном автомобиле сцепной вес делится между мостами примерно поровну. До недавнего времени полноприводные трансмиссии применялись лишь на специальных автомобилях (военных, сельскохозяйственных и т. д.), но, начиная с конца 1970-х гг., полный привод на серийных легковых автомобилях стали использовать ведущие мировые фирмы. Развитие полноприводных трансмиссий идет по четырем основным направлениям: 1) принудительная блокировка дифференциалов; 204

206 ния к смазочным материалам, сложность получения несимметричного начального распределения вращающего момента. Применение дифференциала «Квайф» (Quif) в межосевом и в межколесном приводах (рис. 3.17, II) благоприятно влияет на проходимость и динамичность автомобиля, однако линейная характеристика дифференциала ухудшает устойчивость движения и чувствительность к управлению при больших крутящих моментах, подводимых к дифференциалам. Использование вязкостных муфт (ВМ) для блокировки межосевого дифференциала на автомобиле «БМВ» 325jx (рис. 3.17, III) позволяет улучшить его динамические свойства и проходимость при несимметричном межосевом дифференциале, а также повысить устойчивость движения. Рис Схемы (I X) трансмиссий полноприводных легковых автомобилей 206

208 ведущим валом муфты, а второй (также шлицами) с корпусом. Диски пакетов чередуются друг с другом. Внутреннее пространство муфты заполняется силиконовой жидкостью. Вращающий момент передается жидкостным трением и граничным трением между дисками разноименных пакетов, т. е. вязкостная муфта похожа на обычное многодисковое сцепление, работающее в масле. Вязкостные муфты можно классифицировать по следующим характерным признакам. По зазору между дисками ВМ можно разделить на три принципиальных типа: с «плавающими» дисками, с гарантированным зазором между дисками и с регулируемым зазором между дисками. В BM с «плавающими» дисками последние не закреплены в осевом направлении, и их движение ограничивается только размерами корпуса. В ВМ с гарантированным зазором оба пакета дисков зафиксированы в осевом направлении с помощью распорных колец. Примером ВМ с регулируемым зазором между дисками может служить конструкция ВМ, используемая в трансмиссии «Вискоматик». В этой муфте между дисками установлены тарельчатые пружины, а специальное устройство, перемещая торцевую стенку, приводит к изменению зазора между дисками. По количеству связываемых звеньев ВМ можно разделить на двухзвенные и многозвенные. По назначению ВМ можно разделить на три группы: управляющие, т. е. создающие повышенное трение в обычных дифферен- Рис Схема вязкостной муфты: 1 корпус; 2 вал; 3, 4 соответственно внутренний и внешний диск 208

210 электронного управления. Его регулировочные характеристики определяются конструкцией червячного привода. В данном случае используют известный эффект червячной передачи, при которой передача вращения в одном направлении осуществляется свободно, а в другом с определенными трудностями, или такая передача вообще невозможна (необратимая передача). Процесс внутренней регулировки в передаче протекает настолько быстро, что он не ощущается вообще и не приводит к каким-либо повреждениям системы. Дифференциал «Торсен» установлен непосредственно на передней коробке передач и снабжается тем же маслом, что и сама коробка передач. В дифференциал задней оси заливают 0,75 л масла для коробок передач GL5SAE90. Смену масла не производят. Уровень масла проверяют сбоку по контрольному отверстию аналогично контролю уровня масла коробки передач. На полноприводном автомобиле ВАЗ установлена двухступенчатая раздаточная коробка с принудительно блокируемым межосевым дифференциалом и ручным управлением. Две передачи (низшая и высшая) с передаточными числами 2,135 и 1,2 позволяют увеличить передаточные числа трансмиссии и удвоить общее число передач, что дает возможность эффективнее использовать автомобиль в различных дорожных условиях. Межосевой дифференциал обеспечивает постоянный привод переднего и заднего ведущих мостов, что повышает устойчивость автомобиля. Принудительная блокировка дифференциала повышает проходимость автомобиля. Высшую передачу в раздаточной коробке включают при движении по дорогам с твердым покрытием и хорошим сцеплением, а низшую для преодоления крутых подъемов, при движении по мягким грунтам и для получения минимальной устойчивой скорости движения на дорогах с твердым покрытием. Блокировку дифференциала производят при преодолении труднопроходимых участков дорог. Переключение передач и блокировку дифференциала выполняют с помощью рычагов, установленных на раздаточной коробке КАРДАННЫЕ ПЕРЕДАЧИ Карданные передачи применяют в трансмиссиях автомобилей для передачи мощности между агрегатами, валы которых не лежат на одной прямой, причем взаимное положение их может меняться в процессе движения. Карданные передачи могут иметь один или 210

212 Рис Жесткий карданный шарнир неравных угловых скоростей: а кинематическая схема; б общий вид; в детали шарнира; 1, 4, 6 карданные валы; 2, 5 карданные шарниры; 3 компенсирующее соединение; 7, 9 вилки; 8 крестовина; 10 корпус подшипников; 11 масленка; 12 шлицевой наконечник; 13 игольчатые подшипники; А, Б, В, Г концы соединительных элементов; γ, γ 1, γ 2 углы в шарнирах закону. Неравномерность вращения вала 4 будет тем больше, чем больше угол γ между осями валов. Если неравномерность вращения вала 4 будет передаваться на валы агрегатов, в трансмиссии возникнут дополнительные пульсирующие нагрузки, тем большие, чем больше угол γ. Чтобы неравномерность вращения вала 4 не передавалась на валы агрегатов, в карданной передаче применяют два карданных шарнира. Их устанавливают так, чтобы углы γ 1 и γ 2 (см. рис. 3.19, а) были равны; вилки карданных шарниров, закрепленные на неравномерно вращающемся валу 4, должны быть расположены в одной плоскости. Равномерность вращения ведомого вала может быть достигнута также применением карданного шарнира равных угловых скоростей. Поясним принцип действия карданного шарнира равных угловых скоростей (рис. 3.20, а). С ведущим валом 1 соединен рычаг 2, а с ведомым валом 4 рычаг 3. Рычаги 2 и 3 при вращении валов постоянно контактируют в точке А. При вращении валов точка А должна находиться в биссекторной плоскости. Конструктивно это условие можно обеспечить различными способами. Наибольшее распространение получили карданные шарниры равных угловых 212

214 214

216 обеспечивает их центрирование. Для возможности установки ведущих шариков в канавки вилок центральный шарик имеет лыску с отверстием, которым он при сборке карданного шарнира устанавливается против вставляемого бокового шарика. После сборки карданного шарнира центральный шарик фиксируется в определенном положении штифтом 10, закрепляемым стопорной шпилькой 9 в отверстии ведомой вилки. Карданные шарниры такой конструкции могут работать при углах между валами до Их недостатком является необходимость точной фиксации валов в осевом направлении, а также высокие давления на контактных поверхностях, что снижает их долговечность и ограничивает применение. В некоторых случаях осевое перемещение, компенсирующее изменение длины карданного вала, предпочтительней обеспечивать не шлицевым соединением, а непосредственно конструкцией карданного шарнира такой шарнир называется универсальным. В отверстие конца вала запрессован пустотелый палец, на который посажены на игольчатых подшипниках два сферических ролика. В отверстия пальца вставлены центрирующие заглушки со сферической поверхностью. В корпусе шарнира выполнено два паза цилиндрического сечения такого же радиуса, как и радиус ролика. При вращении под углом пустотелый палец имеет возможность, кроме вращения вокруг своей оси, наклоняться и скользить на сферических роликах по пазам. В таком шарнире осевое перемещение сопровождается значительно меньшими потерями на трение, чем в шлицевом соединении. Упругий полукарданный шарнир допускает передачу крутящего момента от одного вала к другому, расположенному под некоторым углом, благодаря деформации упругого звена, связывающего оба вала. Упругое звено может быть резиновым, резинотканевым или резиновым, усиленным стальным тросом. В последнем случае полукарданный шарнир может передавать значительный крутящий момент и под несколько бо льшим углом, чем в первых двух случаях. Достоинства полукарданного шарнира: снижение динамических нагрузок в трансмиссии при резких изменениях частоты вращения (например, при резком включении сцепления); отсутствие необходимости обслуживания в процессе эксплуатации. Благодаря эластичности такой шарнир допускает небольшое осевое перемещение кардана. Упругий полукарданный шарнир должен центрироваться, иначе балансировка карданного вала может нарушиться. Рассмотрим более подробно конструктивные особенности карданных шарниров равных угловых скоростей. 216

218 Универсальный шестишариковый карданный шарнир с делительными канавками (типа «Лебро», см. рис. 3.20, г) состоит из цилиндрического корпуса 17, на внутренней поверхности которого под углом (примерно ) к образующей цилиндра нарезаны шесть прямых канавок, расположенных в порядке, показанном на рисунке; сферического кулака 13 (на его поверхности нарезано также шесть прямых канавок); сепаратора 14 с шариками 5, центрируемыми наружной сферической поверхностью по внутренней цилиндрической поверхности корпуса 17. Внутренней сферической поверхностью шарики устанавливаются с некоторым зазором на кулаке 13. Шарики попадают в пересечения канавок, чем обеспечивается синхронность вращения валов, так как шарики, независимо от угла между валами, всегда находятся в биссекторной плоскости. Этот шарнир имеет меньшие размеры, чем шарниры других типов, так как рабочая длина канавок и ход шариков в 2 раза меньше хода вала. Имеются и другие достоинства: сепаратор не выполняет функции деления угла между валами, он менее нагружен, а поэтому требования к точности его изготовления ниже; наличие фланцевого разъема шарнира обеспечивает удобство монтажа, хотя конструкция его при этом усложняется, что несколько компенсирует упрощение протяжки канавок корпуса. К точности расположения канавок предъявляют высокие требования. Шарнир имеет высокий КПД (примерно 0,99 при γ = 10 ) и применяется на переднеприводных автомобилях. Трехшиповой карданный шарнир (типа «Трипод») находит применение на легковых и грузовых автомобилях малой грузоподъемности. Конструктивно такие шарниры имеют два исполнения: шарниры, позволяющие передавать момент при углах между валами до 43, но не допускающие осевых перемещений (жесткие шарниры), и универсальные шарниры, допускающие осевую компенсацию, но работающие при сравнительно небольших углах между валами. В жестком шарнире (см. рис. 3.20, д) шипы 19, расположенные под углом 120, закреплены в корпусе 18. Ролики 20 с шаровой поверхностью установлены на шипах и могут свободно на них поворачиваться. Вилка 21, выполненная вместе с валом 4, имеет три паза цилиндрического сечения. Поверхность вилки сферическая, что обеспечивает получение большого угла между валами. Так как принцип работы жесткого и универсального шарниров одинаков, ограничимся более подробным рассмотрением лишь универсального шарнира. 218

220 Рис Структурная схема системы комплексного управления трансмиссией бортовым микропроцессором. Для формирования командных сигналов управления исполнительными механизмами микропроцессор должен получать информацию о режимах работы двигателя и автомобиля, о текущих положениях органов управления в агрегатах трансмиссии автомобиля и двигателя. При управлении транс- 220

222 миссией микропроцессор должен формировать командные сигналы для согласования функционирования исполнительных механизмов топливоподачи, привода сцепления и переключения передач. Последнее в механической автоматизированной коробке передач невозможно без предварительного изменения топливоподачи и выключения сцепления. В качестве привода исполнительных механизмов используют устройства гидравлические, пневматические, электромагнитные или с электродвигателями. На рис представлена схема автоматизации управления трансмиссией автомобиля с межосевым фрикционным дифференциалом, задним активным дифференциалом и антиблокировочной системой (АБС). Эти устройства имеют общую гидравлическую систему и управляются одним компьютером, который в процессе движения автомобиля вычисляет оптимальный коэффициент блокировки и необходимую интенсивность перераспределения вращающего момента между колесами. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. Из каких основных узлов и механизмов состоит трансмиссия автомобилей с различным приводом колес? 2. Как работает механическое сцепление автомобиля? 3. В чем состоит различие между механической ступенчатой и гидромеханической коробками передач? 4. Назовите назначение главной передачи и дифференциала в трансмиссии автомобиля. 5. Объясните различие между карданными передачами равных и неравных угловых скоростей.

224 Колеса обеспечивают преобразование энергии двигателя в поступательное движение автомобиля за счет взаимодействия шины с поверхностью дороги. Таким образом, ходовая часть автомобиля должна обеспечивать защиту водителя и пассажиров от внешних воздействий, надежное сцепление колес с дорогой, высокую плавность хода автомобиля, устойчивость и безопасность движения, повышение экономичности за счет снижения потерь мощности на качение колес, необходимую прочность и длительность эксплуатации автомобиля. Несущая система автомобиля выступает основным силовым элементом, воспринимающим все нагрузки, возникающие на стоянке и при движении автомобиля. Несущие конструкции в виде рамы могут быть открытого или закрытого коробчатого профиля. В последнем случае лонжероны рамы (продольные балки) сваривают из двух тонкостенных балок открытого профиля швеллерного типа. Как правило, автомобили с несущей рамой значительно дороже автомобилей с несущим кузовом и имеют большую массу. На таких автомобилях для изоляции кузова от внешних шумов, обусловленных взаимодействием колеса с дорогой и работой подвески, между рамой и кузовом устанавливаются специальные резиновые прокладки. Уменьшение загруженности кузова обеспечивается установкой подвески в районе средней части двигателя и в зоне заднего сиденья перед багажным отделением. В этих зонах нагрузка от подвески на кузов передается либо через специальные поперечины, либо через силовые поперечные тоннели, являющиеся частью корпуса кузова легкового автомобиля. Несущая поперечина, к которой крепится подвеска, применяется на таких автомобилях, как «Опель», «Рено» и др. Например, поперечина передней подвески автомобиля «Рено 11» имеет вид небольшой рамы, состоящей из двух поперечных и двух продольных балок открытого профиля, а силовой узел задней подвески представлен трубчатой поперечиной, по обеим сторонам которой установлены торсионные упругие элементы. На «Рено 18» передняя поперечина является дополнительно опорой для реечного рулевого механизма, а для размещения задней зависимой подвески в кузове выполнен поперечный тоннель. Подвеска наиболее сложный элемент ходовой части автомобиля. Конструктивные особенности всего многообразия подвесок рассмотрены ниже. 224

226 возможность увеличения центра крена на автомобилях с передними ведущими колесами, что целесообразно для улучшения эксплуатационных свойств таких автомобилей. Совершенствование элементов подвески позволило значительно улучшить эксплуатационные свойства таких автомобилей, как «Вольво»-760, «Мазда», «Тойота Королла» и др., скорость движения которых достигает более 180 км/ч, несмотря на зависимую подвеску колес. Независимая подвеска позволяет обеспечить высокую безопасность движения автомобиля при значительном росте разгонных, скоростных и тормозных характеристик, что обуславливает ее широкое применение. Достоинства независимой подвески: отсутствие взаимного влияния колес правой и левой сторон автомобиля; небольшая масса и компактность; обеспечение желательной кинематики колес; понижение оси крена кузова, что обеспечивает большую устойчивость на поворотах. Однако характер крена и положение колес при этом способствует увеличению углов увода, отрицательно влияющих на траекторию автомобиля при повороте. Учитывая широкое использование независимой подвески на легковых автомобилях, достоинства и недостатки этих подвесок будут рассмотрены при анализе конструкций дополнительно. Совершенствование конструкции легкового автомобиля привело к разработке регулируемых подвесок. В настоящее время регулируемые подвески применяют на серийно выпускаемых автомобилях среднего и высокого класса фирмы «Ситроен». Регулируемые подвески обладают по сравнению с обычными значительными преимуществами. Плавность хода и комфортабельность движения автомобиля существенно зависит от дорожных и климатических условий. Для обеспечения высокой плавности хода в различных дорожных условиях, т. е. минимальной передачи динамических нагрузок от дороги на кузов, необходимо изменять характеристику подвески (передаточную функцию) в зависимости от состояния дороги. Такое изменение характеристики подвески можно осуществить регулированием жесткости и демпфирования упругих и гасящих колебания устройств подвески. Большое значение в обеспечении требуемых тягово-скоростных качеств, экономичности автомобиля, устойчивости и соответственно безопасности имеет изменение нагрузки на подвеску, обусловленной массой нагруженного и порожнего автомобиля. Поэтому в зависимости от загрузки автомобиля для сохранения заданных эксплуатационных характеристик необходимо проводить регулировку характеристик подвески. 226

228 штанги подвески ведущих колес заднеприводных автомобилей ВАЗ, «Мазда», «Мерседес» и др., и поперечные, например тяга Панара, воспринимающая поперечные силы в зависимых подвесках. Профиль сечения таких штанг может быть различным, в любом случае он должен обеспечивать высокое сопротивление продольному изгибу. Наибольшее применение нашли штанги круглого сечения. В независимых подвесках, где необходима передача усилий в поперечном и продольном направлениях, используют рычаги треугольной или серповидной формы, устойчивые к продольным силам и обладающие прочностью на изгиб от продольных и поперечных нагрузок. Рычаги изготавливают штамповкой или поковкой из стали или алюминиевых сплавов. В ряде случаев применяют литье и сварные конструкции. Из алюминиевого сплава изготовлены поперечные рычаги автомобилей «Порше», «БМВ» и др. Рычаги направляющего устройства подвески соединяются с колесом и кузовом с помощью шаровых шарниров и втулок. Шарниры могут быть направляющими и несущими. Например, в независимой подвеске на поперечных рычагах на нижний рычаг опирается упругий элемент. Шаровой шарнир такого рычага воспринимает силы, действующие в различных направлениях, следовательно, шарнир должен быть несущим. Шарнир на верхних рычагах не воспринимает вертикальные силы, а передает в основном поперечные. В этом случае применяют направляющий шарнир. На рис. 4.1 показаны несущие шаровые шарниры и направляющий шарнир, используемые в подвесках автомобилей. Следует отметить, что аналогичные шарниры применяют и на рулевых тягах. Шарниры имеют цилиндрический или конусный (1 : 10) направляющий хвостовик 1, шаровая головка 3 охвачена пластмассовым (из ацетильной смолы) вкладышем 4, защитный чехол 5 заполнен специальной смазкой 2. Такие шарниры обладают хорошей герметичностью от попадания грязи и практически не требуют обслуживания. Обращает на себя внимание несущий шарнир (рис. 4.1, б), имеющий дополнительную шумоизоляцию в виде упругих резиновых вкладышей, используемый на автомобилях «Мерседес» для изоляции шумов от качения радиальных шин. Опорные узлы направляющего устройства подвески должны иметь небольшое трение, быть достаточно жесткими и обладать шумопоглощающими свойствами. Для обеспечения этих требований в конструкцию опорных элементов вводят резиновые или пластмассовые вкладыши. В качестве материалов вкладышей применяют такие, которые не требуют обслуживания в процессе эксплуата- 228

230 Рис Опорные втулки элементов подвески: а сайлент-блок; б сайлент-блок качающейся опоры автомобиля «БМВ»; в шарнирная втулка, применяемая в тягах Панара и амортизаторах; 1, 3 соответственно наружная и внутренняя металлическая втулка; 2 резиновая втулка; β угол закручивания опоры, запрессовываемые в поперечину задней подвески с обеих сторон, которые имеют различную жесткость в зависимости от направления деформации. В передней подвеске автомобилей «Хонда Прелюд» и «Форд Фиеста» применена комбинированная втулка из полиуретана, пластмассы и стальных шайб, обеспечивающих в зависимости от направления действия сил различные жесткостные характеристики. На некоторых переднеприводных автомобилях используют цельную фигурную резиновую втулку в поперечных рычагах, которая в зависимости от направления сил сопротивления качению имеет различную жесткость при необходимой эластичности в боковом и вертикальном направлениях. Упругое устройство. В подвеске упругое устройство создает необходимый частотный диапазон колебаний подрессоренной части автомобиля, т. е. оказывает основное влияние на передаточную функцию подвески смягчение воздействия дорожных неровностей на кузов. Чем ниже собственная частота колебаний автомобиля, тем выше плавность хода и, соответственно, меньше воздействие дороги на автомобиль и пассажиров. Основной характеристикой упругого элемента является жесткость (отношение нагрузки, действующей на упругий элемент, к его деформации или прогибу, которые она вызывает), т. е. упругое сопротивление материала различным видам нагрузок. Упругая характеристика подвески может быть линейной (жесткость постоянная) и нелинейной (жесткость зависит от деформации). При постоянной жесткости упругого элемента собственная частота колебаний подрессоренной части зависит от изменения нагрузки, т. е. высокая плавность хода может быть достигнута только для автомобиля определенной массы. При нелинейной жесткости упругой 230

232 свои проблемы, особенно в вопросах крепления опорных узлов. Как правило, подвески с листовыми рессорами имели большую массу и некоторые недостатки кинематического плана, затрудняющие использование этих упругих элементов на высокоскоростных автомобилях. Однако простота конструкции и технологии изготовления листовых рессор и, соответственно, низкая стоимость обеспечивают их широкое применение на современных внедорожниках и грузовых автомобилях различного класса. Следует отметить как большое достоинство высокую живучесть листовых рессор. Рессора хорошо переносит резкие удары при переезде неровностей на больших скоростях, легко приспосабливается к перегрузке автомобиля. Даже при поломке нескольких листов рессора остается работоспособной. К недостаткам листовых рессор в зависимой подвеске колес следует отнести несколько худшую управляемость и недостаточное держание дороги по сравнению с независимыми подвесками. Пружины как упругие элементы задействованы в подвесках многих легковых автомобилей. В передней и задней подвесках применяют винтовые цилиндрические пружины с постоянными сечением прутка и шагом навивки. Такая пружина имеет линейную упругую характеристику, а необходимая прогрессивность обеспечивается дополнительными упругими элементами из полиуретанового эластомера и резиновыми буферами отбоя. На ряде автомобилей для обеспечения прогрессивной характеристики введена комбинация цилиндрических и фасонных пружин с переменной толщиной прутка. Фасонные пружины имеют прогрессивную упругую характеристику и называются «миниблоками» за небольшие размеры по высоте. Такие фасонные пружины задействованы, например, в задней подвеске автомобилей «Фольксваген», «Ауди», «Oпeль» и др. Фасонные пружины имеют различные диаметры в средней части и по краями, а пружины «мини-блок» имеют и различный шаг навивки. На автомобилях «БМВ» третьей серии в задней подвеске установлена бочкообразная пружина с прогрессивной характеристикой, достигаемой за счет формы пружины и применения прутка переменного сечения. На отечественных легковых автомобилях в подвесках задействованы цилиндрические винтовые пружины с постоянным сечением прутка и постоянным шагом в сочетании с резиновыми отбойными буферами. Торсионы, как правило круглого сечения, применяют на автомобилях в качестве упругого элемента и стабилизатора. Упругий крутящий момент передается торсионом через шлицевые или че- 232

234 ляющего устройств в подвеске. Однако они были вытеснены другими конструкциями упругих элементов, обеспечивающими более высокие эксплуатационные свойства автомобилю. Отличительной особенностью конструкции современных зависимых подвесок является наличие упругих элементов, передающих вертикальные нагрузки и не имеющих трения, и жестких тяг и рычагов, воспринимающих поперечные (боковые) нагрузки. В зависимых подвесках для восприятия и передачи поперечных сил использована так называемая тяга Панара, представляющая собой жесткую штангу, концы которой шарнирно крепятся: один к балке моста, другой к кузову. Расположение этой тяги относительно оси моста и ее длина оказывают влияние на положение оси крена и характер входа автомобиля в поворот, усиливая или ослабляя недостаточную или избыточную поворачиваемость. Расположение тяги Панара сзади оси моста, по направлению движения, способствует ослаблению избыточной поворачиваемости, присущей автомобилям с задним приводом колес, а расположение перед осью способствует ослаблению недостаточной поворачиваемости, присущей переднеприводным автомобилям. Расположение тяги по оси колес практически не оказывает влияния на поворачиваемость автомобиля. Для обеспечения нейтральной поворачиваемости при действии поперечных сил на автомобиле «Опель Рекорд», например, продольные нижние рычаги подвески установлены под углом к продольной оси автомобиля, а тяга Панара под углом к оси моста. Рассмотрим характерную конструкцию задней зависимой подвески заднеприводного автомобиля «классическая компоновка» (рис. 4.3). Кузов опирается на балку заднего моста через две цилиндрические пружины упругие элементы подвески. Внутри пружин на верхних чашках закреплены буфера сжатия, ограничивающие вертикальное перемещение моста. От продольных и поперечных смещений задний мост зафиксирован четырьмя продольными (две нижние и две верхние) и одной поперечной штангами. Нижние и верхние продольные штанги воспринимают от задних колес и передают на кузов толкающие и тормозящие усилия, обеспечивая при этом вертикальное перемещение заднего моста. В подвеску установлены под углом к вертикальной оси автомобиля два амортизатора. Такое расположение амортизаторов обеспечивает дополнительно к гашению вертикальных колебаний повышение поперечной устойчивости кузова. Аналогичная установка амортизаторов принята в подвесках автомобилей «Фольксваген», «Опель», «Форд», «Фиат» и др. 234

236 нение зависимой подвески автомобиля с ведущими задними колесами позволило развивать на нем скорость до 200 км/ч. Для обеспечения нейтральной поворачиваемости независимо от нагрузки на ось применяют подвеску ведущих колес с косыми верхними рычагами без поперечной тяги. Например, автомобиль «Форд Таунус» имеет зависимую подвеску задней ведущей оси с нижними мощными рычагами, направленными параллельно продольной оси автомобиля, и верхними рычагами с малой базой, концы которых направлены под углом и в сторону от продольной оси автомобиля. Наиболее совершенная зависимая подвеска ведущих колес установлена на автомобиле «Вольво-740/760»: она имеет два длинных рычага, крепящихся под балкой моста, на которых размещены пружина и амортизатор. Нижние рычаги к кузову прикреплены на резиновых опорах, имеющих некоторую податливость при скручивании. Боковые силы воспринимаются поперечной тягой Панара, расположенной сзади балки моста на высоте оси колес. Тяговый и тормозной моменты воспринимаются двумя центральными штангами, расположенными рядом с главной передачей. Зависимая задняя подвеска автомобилей с приводом на передние колеса состоит из несущей балки чаще всего открытого профиля, соединяющей оси колес, и двух или четырех продольных рычагов, шарнирно или жестко крепящихся к балке. Нижние рычаги изготовлены таким образом, чтобы на них опирались упругие элементы и амортизаторы. Боковые силы, как правило, воспринимаются тягой Панара. Примером таких подвесок могут служить отечественные и зарубежные автомобили. Рассмотрим некоторые особенности подвесок задних колес иностранных автомобилей. Задняя зависимая подвеска автомобиля «СААБ-900» имеет силовую балку, к которой шарнирно прикреплены продольные (верхний и нижний) рычаги, образующие механизм Уатта. Над силовой балкой расположена тяга Панара, воспринимающая поперечные нагрузки и практически не влияющая на поворачиваемость автомобиля; она, кроме того, повышает центр крена, что эффективно для переднеприводных автомобилей. Недостаток такой схемы подвески смещение положения центра продольного крена при изменении нагрузки: при малой нагрузке центр крена расположен перед осью колес, а при полной нагрузке сзади оси. Такое изменение положения центра продольного крена приводит к «клевку» автомобиля при торможении. На автомобиле «Форд Фиеста» тормозные и тяговые силы воспринимаются двумя нижними продольными рычагами на балке и кронштейнами, закрепленными 236

238 роко разнесенные продольные рычаги 1, жестко связанные с поперечной балкой 6, передается тяговый тормозной момент, и за счет восприятия рычагами изгибающего момента поперечной балкой и скручивающих нагрузок уменьшается продольный и поперечный крены кузова. Такая подвеска задействована и на автомобилях «Рэйндж-Ровер» и «Мерседес», в первом случае в передней подвеске, во втором в передней и задней подвесках полноприводных автомобилей. В подвеске «Ауди-100» амортизаторы совмещены с пружинами и закреплены в точках, смещенных к центру колеса, располагаясь под углом к вертикальной оси. Это позволяет эффективно противодействовать поперечным колебаниям. На «Ауди-80» поперечная тяга расположена косо перед поперечной скручивающейся балкой с креплением одного конца совместно с концом правого продольного рычага. При такой конструкции подвески происходит компенсация недостаточной поворачиваемости, вызываемой креплением продольных рычагов к кузову через резиновые шарнирные опоры. На автомобиле с ведущими передними колесами «Хонда Сивик» поперечная тяга расположена по оси колес. При этом продольные рычаги установлены под углом к продольной оси автомобиля. Пружина и амортизатор совмещены и закреплены в зоне оси колес. Такая сложная конструкция подвески исключает влияние боковых сил на поворачиваемость автомобиля, обеспечивая эффективную стабилизацию положения кузова на повороте при поперечных колебаниях и торможении. Широкое распространение на легковых автомобилях получила конструкция подвески (в ряде случаев ее называют полузависимой) со связанными продольными рычагами. Простейшим вариантом такой конструкции может служить подвеска задних колес переднеприводных автомобилей семейства ВАЗ и др. Такая подвеска в переднеприводных автомобилях обеспечивает легкость компоновки всех элементов подвески, небольшое количество деталей (малодетальность), отсутствие направляющих рычагов и штанг, оптимальное передаточное отношение от кузова к упругому устройству подвески, исключение стабилизатора, высокую стабилизацию схода и колеи при разных ходах подвески, благоприятное расположение центров крена, уменьшающих возможность «клевка» кузова при торможении. Рассмотрим конструкцию задней подвески со связанными продольными рычагами как наиболее характерную для переднеприводных автомобилей (рис. 4.5). Подвеска имеет продольные рычаги 2, связанные между собой упругой балкой 19. Трубчатые 238

240 рычага 2 подвески прикреплены ось 20 ступицы колеса и щит 26 тормозов. Ступица колеса вращается на двухрядном шариковом подшипнике 25, установленном на оси 20. Подшипник ступицы закрытого типа, с постоянной пластичной смазкой, поэтому не требует каких-либо регулировок и обслуживания при эксплуатации. Амортизатор 18 телескопический, двустороннего действия, обеспечивающий гашение колебаний кузова путем создания сопротивления перетеканию жидкости через дросселированные отверстия при относительном перемещении кузова и оси колеса. Учитывая широкое использование таких подвесок на отечественных и зарубежных автомобилях, можно отметить их некоторые особенности. Поперечная балка, связывающая продольные рычаги подвески, имеет различное сечение (V-, U- и Т-образное), обеспечивающее небольшую жесткость на кручение и высокую жесткость при изгибающих поперечных и продольных нагрузках. Малая жесткость связывающей балки на кручение позволяет эти подвески относить к независимым с продольными рычагами или полузависимым, поскольку существует связь между правым и левым колесами. Анализ изменения развала колес при зависимой подвеске показывает, что колеса сохраняют свое положение относительно дороги; в подвеске с продольными рычагами угол развала колес равен углу бокового крена кузова. В подвесках со связанными рычагами величина развала колес будет зависеть от положения поперечной связи. Если поперечина находится между центрами качания рычагов, то изменение развала будет соответствовать независимой подвеске на продольных рычагах, при смещении поперечины к оси колес получается зависимая подвеска. Отношение изменения развала к изменению кинематического угла крена кузова получило название коэффициента изменения развала при крене. Для подвесок со связанными рычагами этот коэффициент находится в диапазоне 1,0 0,5, для зависимых подвесок равен 0, для подвесок на продольных рычагах повышается до 1,1, что обусловлено упругими деформациями рычагов. Простую конструкцию подвески со связанными рычагами имеют автомобили «Фольксваген Гольф», «Сирокко» и др. с поперечной связью, расположенной близко к опорам концов продольных рычагов (коэффициент изменения развала близок к единице). К трубчатым продольным рычагам приварена поперечина Т-образного профиля, на последующих моделях замененная V-образным профилем. Поперечина воспринимает моменты от вертикальных и боковых сил и выполняет функции стабилизатора. 240

242 1 подшипник ступицы колеса; 2 колпак; 3 регулировочная гайка; 4 ось поворотной цапфы; 5 ступица; 6 тормозной диск; 7 поворотная стойка; 8 верхний рычаг направляющего устройства; 9 шаровая опора; 10 буфер; 11 опорный стакан; 12 резиновая подушка; 13, 26 соответственно верхняя и нижняя опорная чашка пружины; 14 ось верхнего рычага; 15 регулировочная шайба; 16, 25 кронштейны крепления штанги соответственно стабилизатора и амортизатора; 17 резиновая втулка; 18 стабилизатор поперечной устойчивости; 19 лонжерон кузова; 20 ось нижнего рычага; 21 нижний рычаг направляющего устройства; 22 пружина подвески; 23 обойма; 24 амортизатор; 27 нижняя шаровая опора; 28 шпилька ступицы колеса; 29 поперечина 242 Рис Устройство (а) и типовая схема (б) передней подвески автомобилей ВАЗ классической компоновки:

244 Подвеска автомобилей «Ситроен» оборудована пневмогидравлическими упругими элементами 1 (рис. 4.7, а, б). Как отмечалось ранее, такие упругие элементы обеспечивают «мягкое» подрессоривание и возможность регулирования дорожного просвета. Упругий элемент состоит из цилиндра, в котором перемещается поршень 9 с длинной направляющей цилиндрической поверхностью. В верхней части цилиндра установлен сферический баллон, разделенный эластичной диафрагмой (мембраной) 13 на две полости: верхняя заполнена сжатым азотом, нижняя жидкостью. Между цилиндром и баллоном расположен амортизационный клапан 15, через который пропускается жидкость при ходе отбоя и сжатия. Конструкция клапанов аналогична клапанам, установленным на поршне однотрубного газонаполненного амортизатора. Разделительная диафрагма предотвращает образование эмульсии (вспенивания) в слое жидкости, граничащем с газом. Для уменьшения бокового крена кузова в подвеске установлен стабилизатор 6. Упругие элементы шарнирно опираются на рычаги направляющего устройства подвески. Канал 10 для подвода жидкости в цилиндр необходимы для изменения дорожного просвета и регулирования жесткости упругого элемента. В нижней части конструкции упругого элемента имеется канал 8 для возврата части жидкости, скапливающейся в результате утечек в подпоршневой зоне. Конструкция упругого элемента позволяет устанавливать его в подвеске в любом положении. В частности, на задней подвеске автомобиля «Ситроен» ВХ упругие элементы установлены под небольшим углом к горизонтали; передача усилия на них осуществляется через сферическую опору кронштейнами продольных рычагов направляющего устройства подвески. Применение пневмогидравлических элементов в подвеске легковых автомобилей позволяет иметь собственную частоту колебаний кузова в зависимости от нагрузки в пределах 0,6 0,8 Гц. Следует отметить, что чем ниже собственная частота колебаний кузова на подвеске, тем меньше влияют дорожные неровности на водителя и пассажиров при движении автомобиля, т. е. тем выше плавность хода и соответственно комфортабельность автомобиля. На автомобиле «Ситроен» ХМ (рис. 4.7, в) использован принцип управления подвеской, заложенный в амортизаторах системой «Гидрактив». Предусмотрены два режима работы подвески: «мягкий» и «жесткий». Управление режимами работы подвески осуществляется микропроцессором, передающим сигнал на исполнительный орган электроклапан, подключающий гидравлическую систему, воздействующую на пневмоэлементы подвески, 244

246 или отключающий упругие пневмоэлементы. При подключении пневмоэлементов, как упругих устройств подвески, будет наблюдаться «мягкий», т. е. комфортный режим работы подвески. При отключении пневмоэлементов ее режим работы будет «жесткий». На приборной панели автомобиля расположены переключатели, позволяющие выбрать режим работы подвески: «Sport» или «Automatic». При работе по программе «Sport» напряжение на электроклапан не подается и подвеска работает в «жестком» режиме. В режиме «Automatic» на электроклапан подается напряжение и подвеска работает в «мягком» режиме. Подвеска на двойных поперечных рычагах автомобиля «Порше»- 928 получила название «Вайсзах». Отличительной особенностью такой подвески являются нижние рычаги, имеющие очень широкую косо расположенную опорную базу, связанную с кузовом, воспринимающие продольные силы при торможении и разгоне. За счет упругой деформации одного из двух связанных рычагов подвески обеспечивается стабилизация траектории автомобиля на переходных режимах движения. На автомобилях «Мерседес-200D/300E» применена подвеска на двойных поперечных пространственных рычагах. Такая подвеска состоит из шарнирно связанных парных рычагов, составляющих на виде сверху треугольник, с точкой пересечения в конструктивном центре оси поворота (на оси симметрии колеса). Подобная конструкция подвески, учитывая наличие эластичных элементов в опорных узлах, обеспечивает высокий уровень безопасности при поворотах автомобиля на больших скоростях. Следует выделить среди автомобилей с листовыми рессорами подвеску автомобиля «Шевроле Корвет», упругим элементом которой выступает поперечная однолистовая рессора из армированной стекловолокном пластмассы. Направляющее устройство подвески состоит из двух продольных и двух (верхний и нижний) поперечных рычагов. Восприятие продольных сил при торможении и разгоне, а также стабилизация положения при этом кузова обеспечиваются продольными рычагами. Боковые силы воспринимаются поперечными рычагами и поперечными тягами, используемыми также и для регулировки развала и схождения. Подвеска на направляющих стойках типа «Макферсон» (рис. 4.8) задействована практически на большинстве легковых автомобилей, выпускаемых различными фирмами Европы, Азии и Америки. Подвеска имеет очень малые габаритные размеры, небольшую массу и удобно компонуется на автомобиле с передними ведущими колесами. Наличие большого свободного пространства со 246

248 248

250 концентрическому расположению верхней опоры пружины упругого элемента с осью стойки (и соответственно, штоком амортизатора), приводящее к возникновению момента поперечных сил, который может привести к заклиниванию поршня. Для исключения заклинивания поршня амортизатора пружину на стойке размещают с наклоном таким образом, чтобы ось установки пружины проходила через несущий шарнир нижнего рычага. Расположение стабилизатора в подвеске (спереди или сзади оси колес) влияет на положение оси продольного крена, обеспечивающее дополнительное вертикальное перемещение кузова при торможении (наиболее желательно «приседание» кузова). На автомобилях «БМВ» пятой седьмой серий применена передняя подвеска со сдвоенными шарнирами. Упругие элементы пружины нижней частью опираются на чашки, приваренные к корпусу амортизатора, а верхней упираются в шариковый подшипник, закрепленный на кузове в трех точках. Направляющее устройство состоит из поперечных рычагов, воспринимающих боковые нагрузки, и штанг, направленных вперед под углом к продольной оси автомобиля и обеспечивающих поворот управляемых колес в сторону положительного схождения, т. е. улучшается устойчивость прямолинейного движения. Взаимное положение опорных шарниров рычагов и штанг позволяет увеличить противодействие продольному крену при разгоне и торможении. Подвеска ведомых колес автомобиля «Хонда Прелюд» состоит из поперечных рычагов большой длины и продольных штанг, направленных под небольшим углом к продольной оси. Опоры крепления рычагов в зоне колес расположены примерно в центре колеса, за счет чего достигается оптимальное расположение центра поперечного крена. Пружинная направляющая стойка установлена с некоторым наклоном к вертикальной оси при широкой опорной базе. Недостатком такой подвески, несмотря на простоту, можно считать большую нагрузку от вертикальных сил, воспринимаемую опорными шарнирами поперечных рычагов. Подвеска на продольных рычагах направляющего устройства состоит из мощного, как правило, сварного коробчатого или литого рычага направляющего устройства, расположенного по направлению движения с каждой стороны автомобиля. Рычаг воспринимает крутящие и изгибающие нагрузки, возникающие при движении автомобиля. Для обеспечения необходимой жесткости подвески при боковых силах рычаг имеет широко разнесенные опоры на кузове. Подвеска на продольных рычагах часто приме- 250

252 Рис Задняя подвеска на косых рычагах автомобилей «БМВ»: 1 вал главной передачи; 2 опорный кронштейн; 3 полуось; 4 стабилизатор; 5 упругий элемент; 6 амортизатор; 7 косой рычаг направляющего устройства подвески; 8 опорная стойка кронштейна упругие элементы в подвеске установлены раздельно. В этом случае пружина расположена на самом рычаге ближе к оси колеса, как и амортизатор; аналогичное положение занимает пружина и на автомобилях «Опель». Дополнительные упругие элементы подвески, устанавливаемые в помощь к основным упругим элементам, выполняют две задачи: шумо- и виброизоляцию кузова и ограничение хода подвески при сжатии и отбое с соответствующим обеспечением прогрессивности упругой характеристики подвески. Основным требованием в данном случае к упругим элементам будет создание определенной эластичности в осевом направлении и большой жесткости в радиальном, чтобы исключить влияние на кинематику подвески. Такие дополнительные упругие элементы изготавливают, как правило, из резины и различных упругих полимеров (например, полиуретана). В передних подвесках управляемых колес в верхней опоре пружинных стоек устанавливают шарикоподшипник для исключе- 252

254 опоры 8 на упор 7 и кузов. Такая конструкция увеличивает направляющую базу амортизатора и предотвращает возможность заклинивания штока Амортизаторы Основные назначения амортизатора гашение (поглощение энергии) колебаний кузова, создание сопротивления крену кузова при резком изменении его положения, в том числе и на поворотах, и обеспечение надежного сцепления колес с опорной поверхностью дороги. На легковых автомобилях устанавливают гидравлические (жидкостные) амортизаторы. Работа жидкостного амортизатора, установленного в подвеске легкового автомобиля, основана на создании сопротивления перетеканию жидкости через дросселированные отверстия (клапаны), расположенные в поршне штока, перемещающегося в герметичном корпусе. При этом конструкция клапанов амортизатора, через которые перетекает жидкость, устроена таким образом, что создаваемое сопротивление будет пропорциональным относительной скорости перемещения колеса и кузова; причем сопротивление перетеканию жидкости на ходе отбоя больше, чем на ходе сжатия. На легковых автомобилях применяют два типа амортизаторов: двухтрубные и газонаполненные однотрубные. В случае объединения двухтрубного амортизатора с пружиной упругого элемента амортизатор конструктивно будет являться несущей стойкой подвески. В случае применения в подвеске раздельной установки упругого элемента и амортизатора корпус амортизатора будет более легким, но принципы работы останутся одинаковыми. Амортизаторы имеют два основных режима работы: наибольшего комфорта и ограничения максимальных усилий. При малых вертикальных перемещениях кузова и плавном движении штока амортизатора скорость движения его поршня невелика, жидкость перетекает через калиброванные отверстия, создавая небольшое сопротивление колебаниям кузова. При повышении скорости перемещения поршня сопротивление перетеканию жидкости возрастает. При резком (скачкообразном) изменении скорости штока дополнительно к работающим открываются специальные разгрузочные клапаны, увеличивающие проходные отверстия для жидкости, тем самым исключая возможность жесткого удара в системе подрессоривания. Двухтрубный телескопический амортизатор имеет основную рабочую полость, полностью заполненную жидкостью, и кон-

256 сжимает газ. Газ в компенсационной полости находится под небольшим давлением; величина давления выбирается такой, чтобы исключить возможность разрежения в полости при максимальном ходе отбоя и не создавать большое сопротивление жидкости при заполнении полости на ходе сжатия. Однотрубный телескопический амортизатор отличается от двухтрубного расположением компенсационной полости, которая находится в одном цилиндре с гидравлической рабочей полостью. Компенсационная полость заполнена газом и отделена от жидкости разделительным поршнем или эластичной диафрагмой. Эта полость воспринимает расширение жидкости при нагревании и компенсирует увеличение объема при движении штока в цилиндр на ходе сжатия. Преимуществом таких амортизаторов по сравнению с двухтрубными является простота конструкции, возможность установки их под любым наклоном и даже в перевернутом виде, придание упругому элементу подвески дополнительной жесткости прогрессивного характера. К недостаткам однотрубных амортизаторов относится несколько большая длина, увеличивающаяся с ходом подвески и толщиной штока. Однотрубный телескопический амортизатор фирмы «Бильштайн» (Bilstein) (рис. 4.11) состоит из рабочего цилиндра 3, перемещающегося по двум опорным втулкам 6, имеющим тефлоновое покрытие и закрепленным в несущем корпусе 12. Про- 256 Рис Однотрубный телескопический амортизатор: 1 штырь крепления; 2 резиновый защитный кожух; 3 цилиндр; 4 гофры кожуха; 5 уплотнение цилиндра; 6 опорные втулки; 7 поршень с тефлоновым направляющим кольцом; 8 опорная чашка пружины; 9 буфер отбоя; 10 уплотняющий узел штока; 11 крышка цилиндра; 12 корпус амортизатора; 13 дополнительный упругий элемент; 14 опорная шайба; 15 узел крепления штока; 16 кронштейн; 17 разделительный поршень

258 Рис Схема подвески с регулированием упругой характеристики (а) и положения кузова по высоте (б): 1 подпиточный газовый баллон; 2 рычажно-кулачковый механизм; 3, 5 клапаны; 4 толкатель; 6 упругая тяга; 7 кузов; 8 пневмогидравлический упругий элемент; 9 колесо; 10 рычаги направляющего устройства; 11 насос; 12, 16 диафрагмы; 13 золотник; 14 корпус золотника; 15 рычаг нии постоянства статического и динамического ходов подвески (соответственно, стабилизации частоты собственных колебаний) при изменении подрессоренной массы в широких пределах. Кузов 7 через пневмогидравлический упругий элемент 8 и рычаги 10 направляющего устройства подвески опирается на ось колеса 9. Верхний рычаг 10 направляющего устройства упругой тягой 6 соединен с рычажно-кулачковым механизмом 2. Кулачковый механизм передает движение на толкатель 4, который, перемещаясь в одну или другую сторону, взаимодействует с клапаном 3 или 5, тем 258

260 сы с различными устройствами автоматического поддержания давления жидкости в системе. При необходимости изменить положение корпуса (кузова) автомобиля по высоте перемещается золотник 13, открывая отверстие трубопровода жидкостной полости упругого элемента. Для подъема кузова объем жидкости в упругом элементе должен увеличиваться, а для опускания (уменьшения дорожного просвета) объем жидкости должен уменьшаться. Соответственно уменьшается расстояние между осью колеса и рамой. При изменении длины упругого элемента поворачивается рычаг 15, перемещая золотник 13 регулятора и стабилизируя заданное положение подрессоренной части машины. Представленная схема позволяет также стабилизировать (сохранить неизменным) дорожный просвет и упругую характеристику подвески при изменении величины подрессоренной массы. При регулировании положения кузова путем изменения объема жидкости в упругом элементе масса газа остается неизменной, но изменяется начальный объем газа и давление, в результате чего происходит изменение упругой характеристики. Например, при увеличении массы автомобиля нагрузка на упругий элемент возрастает и, соответственно, увеличивается давление газа, а его объем уменьшается. Расстояние между осью колеса и кузовом уменьшается, в результате чего поворачивается рычаг 15, перемещая золотник 13 в корпусе 14 и соединяя нагнетающую линию с жидкостной полостью упругого элемента. Жидкость поступает в упругий элемент до тех пор, пока не восстановится первоначальное положение кузова, на которое настроен регулятор. При уменьшении массы кузова нагрузка на упругий элемент уменьшается, и золотник, перемещаясь, открывает сливную магистраль, а напорную перекрывает. Жидкость из полости упругого элемента перетекает в бак, и кузов автомобиля опускается до заданного положения. Для исключения влияния динамического изменения перемещения поршня упругого элемента при колебаниях агрегата на неровной дороге торцевые полости золотника 13 заполнены жидкостью и закрыты упругими диафрагмами 12 и 16. Основное требование к системе регулирования восстановление первоначального (требуемого) уровня подрессоренной массы в заданный промежуток времени с минимальными энергозатратами. Следует отметить, что время регулирования (или срабатывания) системы в значительной степени зависит от вязкости используемой жидкости, следовательно, оно существенно меняется с изменением температуры. Для уменьшения влияния температу- 260

262 крена кузова и скорости движения автомобиля. Микропроцессор имеет блок памяти, в котором заложены определенные сочетания параметров поступающей от датчиков информации, полученных в результате испытаний опытных автомобилей данной серии. По сравнению заложенных в память данных и получаемой информации от датчиков микропроцессор выбирает необходимый режим работы подвески. Время срабатывания включения гидропривода подвески не превышает 0,05 с, что значительно опережает динамическую реакцию автомобиля. В гидравлической системе каждой подвески (передней иди задней) совместно с дополнительным газовым баллоном подключены в систему и дополнительные демпфирующие элементы, изменяющие сечения отверстий, через которые перетекает жидкость, тем самым изменяя демпфирующую характеристику подвески. Таким образом, по команде микропроцессора электроклапан подключает или отключает в каждой подвеске третий баллон и два дополнительных демпфирующих клапана в зависимости от режима: «мягкий» два газовых баллона и два демпфера основных упругих элементов плюс дополнительные один газовый баллон и два демпфирующих элемента, «жесткий» два газовых баллона и два демпфирующих элемента подвески. При возникновении неисправности в системе питания или получении микропроцессором информации от датчиков, выходящей за пределы параметров, заложенных в памяти, подается команда на переход в «жесткий» режим. Управление режимом работы подвески осуществляют переключателями на приборной панели. Компания «Форд» разработала управляемую подвеску, работающую по программе. Система получила название «Программируемый контроль за дорогой» (PRC) она обеспечивает изменение характеристики амортизатора подвески в зависимости от ситуации дорожного движения. Аналогично рассмотренной выше системе РRС позволяет водителю выбрать «жесткий» или «автоматический» режим. В «жестком» режиме компьютер регулирует уровень демпфирования для обеспечения спортивной жесткой характеристики подвески. В «автоматическом» режиме регулируется уровень демпфирования для обеспечения комфортного движения в нормальных условиях. При торможении, повороте или резком ускорении система автоматически переключается на «жесткий» режим. При высоких скоростях движения система переключается на «жесткий» режим по сигналу контрольного модуля двигателя в зависимости от угла поворота дроссельной заслонки и давления во впускном коллекторе. При этом активизи- 262

264 подвеска которого оборудована пневматическими упругими элементами (баллонами), применена система автоматического управления высотой кузова. Управление высотой кузова (регулировка дорожного просвета) производится автоматически через ЭБУ. Если текущая высота отличается от номинальной (изменилась масса автомобиля), ЭБУ регулирует давление в упругих элементах, подавая сигнал на компрессор для увеличения давления или на электромагнит, открывающий выпускной клапан для его снижения. Компрессор работает от электродвигателя. Для обеспечения подачи «сухого» и очищенного воздуха в пневмобаллоны, от компрессора сжатый воздух подается в фильтр-влагоотделитель, заполненный силикагелем. В фильтре имеется клапан для выпуска воздуха из системы для уменьшения дорожного просвета (при необходимости). Упругие пневмоэлементы составляют с амортизаторами единую конструкцию, в которой изменение давления воздуха в пневмоэлементах приводит одновременно к изменению высоты амортизаторов. Поскольку работа подвески оказывает существенное влияние на управляемость и тормозные качества автомобиля, то в последнее время наблюдается тенденция создания комплексных микропроцессорных систем совместного управления характеристикой подвески (упругим и демпфирующим элементами) и антиблокировочной системой тормозов. На ряде моделей автомобилей «Тойота» и других имеются системы автоматического регулирования сопротивлением амортизатора. Управление амортизатором заключается в изменении сопротивления перетеканию жидкости путем изменения диаметров клапанов-жиклеров. Предусмотрено три режима регулировки сопротивления амортизатора: малое, среднее и большое. Управление осуществляется с помощью электроники, а изменение размеров диаметров пропускных отверстий выполняется с помощью электромагнитов или электродвигателем. Учитывая, что работа амортизаторов должна согласовываться со скоростным режимом автомобиля изменением положения машины на повороте и при торможении, в системе управления предусматривается ряд преобразователей (датчиков), отслеживающих то или иное состояние автомобиля и передающих информацию в электронный блок управления, передающий необходимый сигнал на исполнительные механизмы (электродвигатель и электромагнит). В частности, на одной из моделей привод управления амортизатором состоит из электродвигателя, зубчатой передачи, электромагнита и управляющего стержня, выполненного совместно с кла- 264

266 Рис Схемы работы активных подвесок с гидроприводом (а) и с поглощением колебаний (б): 1 колесо; 2 гидроцилиндр; 3 кузов; 4 чувствительный элемент (датчик); 5 задающее устройство; 6 сравнивающее устройство; 7, 13 усилители; 8 гидрораспределитель; 9 насос; 10 бак; 11 шток гидроцилиндра; 12 упругий элемент подвески; 14, 16, 19 трубопроводы; 15 компенсационная камера; 17 обратный клапан; 18 распределитель (0, I, II позиции распределителя) При опускании колеса все происходит наоборот; таким образом, при движении по неровностям кузов автомобиля практически не перемещается вертикально относительно поверхности дороги. Однако такая система имеет ряд недостатков: высокие энергозатраты на привод исполнительного элемента гидроцилиндра; низкая надежность, обусловленная потерей подвижности транспортным средством при выходе из строя одного из элементов автоматики; возможность жестких ударов при резком изменении высоты неровности; необходимость в дополнительном устройстве для измерения рельефа местности и несущей способности грунта. В случае применения активной подвески с упругим элементом подрессоренная масса будет находиться в покое или совершать незначительные колебания, при которых максимумы кинетической энергии подрессоренной части значительно меньше максимумов потенциальной энергии принудительной деформации упругих элементов, т. е. только незначительная часть потенциальной энергии переходит в кинетическую. Однако обеспечение оптимального по быстродействию гашения колебаний системы является обязательным. Принципиальная схема подвески, обеспечивающей гашение колебаний, представлена на рис. 4.13, б. Подрессоренная масса (кузов) 3 опирается на упругий элемент подвески 12, связан- 266

268 ствующей компоновке гидроэлементов можно добиться сопротивления в гидропроводах, близкого к нулю. Установка распре делителя в позицию I означает одностороннюю блокировку упругого элемента гидроцилиндром 2, так как гидроцилиндр не препятствует деформации сжатия упругого элемента, но, в то же время, не позволяет ему восстановить первоначальную деформацию (проходу жидкости из штоковой полости по трубопроводу 16 в компенсационную камеру препятствует обратный клапан 17). Следовательно, при возврате гидроцилиндр воспримет избыток силы, действующей на кузов 3 со стороны упругого элемента. Суммарное значение силы, действующей на кузов (и измеряемой чувствительным элементом 4), со стороны упругого элемента 12 и гидроцилиндра 2, становится равным статическому или заданному, что приведет к установке распределителя 18 в нейтральную позицию 0, и жидкость из штоковой полости перетечет в поршневую. При установке распределителя в нейтральную позицию упругий элемент 12 начнет разжиматься до момента превышения упругой силой заданного значения; в этом случае распределитель 18 займет позицию I, и клапан 17 будет препятствовать вытеканию жидкости из штоковой полости. При непрерывном управлении золотник распределителя установится в некоторое промежуточное положение, и на проходных щелях распределителя создастся определенный перепад давления, что приведет к частичной компенсации упругой силы при возврате в исходное положение. Точно так же можно проанализировать работу системы при попадании колеса во впадину. Таким образом, способ гашения колебаний сводится к тому, что, не препятствуя сжатию или растяжению упругих элементов подвесок, их задерживают в сжатом или растянутом положении до тех пор, пока суммарная величина силы, действующей на кузов автомобиля через подвеску, не примет заданное значение. К активной подвеске можно отнести и опытную разработку электромагнитной подвески компании «БОУЗ». В этом случае автомобиль оснащен высокопроизводительными усилителями мощности, питающими напряжением катушку, расположенную вокруг цилиндра электромоторов-соленоидов, соединяющего ось колеса с кузовом. При наезде колеса на неровность блок управления получает информацию от датчиков, установленных на кузове, и практически мгновенно подает напряжение на катушку, создавая необходимое сопротивление подвески. Особенность работы данной системы заключается в том, что напряжение на катушку подается при сжатии, а при отбое высокоскоростные линейные электромоторы работают как генераторы, рекуперируя энергию. 268

270 На легковых автомобилях применяют пневматические камерные и бескамерные шины. Камерная шина состоит из покрышки и камеры. Покрышка состоит из каркаса, выполненного из прорезиненного корда поперечно уложенных нитей из синтетического материала или металла с резиновыми прослойками; брекера (подушечного слоя); протектора; боковины и борта. Особое значение в шине имеет протектор слой резины, наложенный на каркас и взаимодействующий с дорогой. Протектор предохраняет каркас шины от повреждений, а рельефный рисунок на его внешней поверхности обеспечивает сцепление шины с дорогой. В зависимости от рисунка протектора различаются шины для сезонной эксплуатации, состояния дороги и скоростного режима. На ряде шин на дне продольных канавок в рисунке протектора устраивают индикаторы износа выступы высотой 1,6 мм и длиной по вершине 12 мм. При износе протектора на индикаторе появляются поперечные полосы, указывающие на предельный износ. Канавки протектора имеют большое значение для характера работы шины. Чем больше число и ширина канавок, тем больше способность шины предотвратить слеш-плэнинг (мокрый снег между шиной и дорогой) или аквапланирование (водяной клин между шиной и дорогой), которые могут привести к полной потере управляемости. Крупные и высокие шашки протектора обеспечивают хорошую проходимость по неукатанному снегу, по грунтовым дорогам и местности. Однако такой рисунок протектора увеличивает шумность колес и ухудшает управляемость на дорогах с твердым покрытием. В шашках протектора имеются тонкие прорези (ламели), улучшающие сцепление шины с дорогой. Большинство зимних шин имеют протектор с направленным рисунком. Такой рисунок обеспечивает хорошее очищение шины и пятна контакта с дорогой от грязи и снега. В зимнее время применяют и шины с шипами. Шипы значительно увеличивают сцепление с покрытием дороги, особенно при наледи или на укатанном снегу. Недостатком шипов является снижение сцепления шины с сухим и влажным асфальтом. Поскольку шипы способствуют разрушению асфальта, то в некоторых странах применение шипованной резины запрещено. По расположению нитей корда различают два типа шин: диагональные и радиальные. В диагональных шинах слои корда расположены перекрестно с углом наклона нитей к оси колеса Нити корда подушечного слоя также расположены под некоторым углом к оси колеса. Каркас диагональной шины менее 270

272 Маркировка шин. На боковине шины выполняется ее маркировка, где проставляется модель шины (Бл-85) и приводится ряд обозначений. Маркировка 6,15-13/ означает: 6,15 ширина профиля шины (В) в дюймах, 13 посадочный диаметр шины (монтажный диаметр колеса) в дюймах, 155 ширина профиля шины в миллиметрах (в ряде случаев вместо числа 13 может быть обозначение посадочного диаметра в миллиметрах, например 330). Для радиальной шины маркировка 165/70R13S78 Steel Radial Tubeless или TL имеет следующую расшифровку: 165 ширина профиля шины (В) в миллиметрах, 70 серия шины отношение высоты профиля шины Н к ее ширине В в процентах, R радиальный корд, 13 посадочный диаметр в дюймах, 78 индекс грузоподъемности шины (коэффициент нагрузки), S индекс максимально допустимой скорости, Steel Radial радиальная шина с металлическим кордом, Tubeless TL бескамерная шина (камерная шина ТТ Tebetype); TWI надпись в месте расположения индикатора износа; красная метка номер технического контроля предприятия-изготовителя; группа цифр неделя выпуска шины (от 1 до 52), год выпуска (например, 8 это 1998), последующие цифры (например, ) порядковый номер шины: круглая метка (белая, красная, зеленая) отметка о балансировочных испытаниях (при монтаже шины, должна быть совмещена с вентилем); знак (например, <(В)>) товарный знак предприятия-изготовителя; «Е» в кружочке с цифровым индексом знак аттестации шины в соответствии с Правилами 30 ЕЭК ООН (цифра-индекс страны, проводившей сертификацию). На боковой поверхности шин могут быть также и такие обозначения, как «М + S» обозначение сезона эксплуатации; ROTATION со стрелкой, указывающей направление вращения; Side facing inwards (outwards) надпись ориентации шины (сторона обращенная внутрь или наружу); PR прочность, оцениваемая нормой слойности (для легковых автомобилей 4PR или «усиленная» 6PR) и др. Углы установки управляемых колес. При движении автомобиля силы, обусловленные взаимодействием колес с дорогой, стремятся изменить положение колес, отклонить их от заданной траектории движения. Поэтому установка колес в подвеске оказывает существенное влияние на устойчивость автомобиля, износ шин, топливную экономичность и, соответственно, безопасность движения. Одним из важнейших параметров установки колес является их стабилизация, т. е. способность возвращаться в исходное положение без участия водителя. Стабилизация управляемых колес 272

274 шины работают плохо, с низким сцеплением и частой пробуксовкой. Всесезонные шины имеют более рельефный рисунок поперечных канавок и узкие прорези дополнительного профилированного рисунка. Эти шины хорошо приспособлены для движения по дорогам различного покрытия, в том числе и при различных сезонных изменениях. Шины такой группы зарубежного производства имеют маркировку аll season или какие-либо условные обозначения. Универсальные шины предназначены для движения по любым дорогам. По сравнению с всесезонными шинами универсальные имеют более глубокий и разветвленный рисунок протектора. Зарубежные шины такой группы имеют маркировку «M+S» (Mud and Snow грязь и снег). Зимние шины отличаются высокорельефным с глубокими канавками рисунком протектора. Эти шины предназначены для работы на заснеженных и обледенелых дорогах. На зарубежных шинах указано строго определенное направление качения колеса такой группы. Зимние шины подвержены сильному износу по сравнению со вседорожными. На зимних шинах возможна установка шипов противоскольжения, обеспечивающих хорошее сцепление с дорогой за счет разрушения пленки влаги в зоне контакта колеса с дорогой ПОДШИПНИКИ И ШАРНИРЫ Подшипники качения. Наличие в автомобиле узлов трения в различных системах обуславливает их влияние на долговечность, безопасность и комфорт. Долговечность подшипников качения во многом зависит от правильного подбора смазки и регулировки. Смазка поглощает энергию ударов и предотвращает усталостное разрушение подшипников. Смазка может быть пластическая (консистентная) или жидкая. Например, пластические смазки хорошо работают в подшипниках ступиц колес, образуя всегда тонкую жидкостную пленку при длительном пробеге и, соответственно, нагревании ступицы. Неправильный подбор смазки (в основном по теплостойкости) или ее недостаточность вызывает «скребущий» звук при вращении колеса, а в генераторах или насосах прерывистое гудение. При недостатке смазки начинается сильный нагрев подшипника при работе, который может вызвать его заклинивание. Смазка по прочности и вязкости может быть мягкой и жесткой. Чем выше нагрузка на подшипник, тем большей вязко- 274

276 КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. Назовите назначение и состав ходовой части автомобиля. 2. Назовите назначение подвески автомобиля и ее основных узлов. 3. В чем состоит различие между зависимой и независимой подвесками колес? 4. Объясните, как работают регулируемые и активные системы подрессоривания автомобиля. 5. Из каких основных частей состоит автомобильное колесо?

278 Для того чтобы исключить боковое скольжение колес при движении автомобиля на повороте, траектории всех колес должны представлять собой дуги концентрических окружностей с общим центром. Для этого управляемые колеса должны быть повернуты на разные углы. Связь между углами поворота наружного и внутреннего колес осуществляется при помощи рулевой трапеции Рулевой механизм Рулевой механизм включает в себя рулевую передачу, размещенную в картере, рулевой вал, рулевую колонку и рулевое колесо. Из условий компоновки рулевого механизма рулевой вал может состоять из двух или трех частей, соединяемых карданными шарнирами. На легковых автомобилях устанавливают рулевые механизмы различной конструкции. В частности, шестеренные рулевые механизмы выполняют в виде редуктора из зубчатых колес (применяется редко) или в виде пары из шестерни и рейки. Реечные рулевые механизмы получают все более широкое распространение на легковых автомобилях малого, среднего и даже большого классов. Достоинствами реечных рулевых механизмов являются простота и компактность конструкции, обеспечивающие им наименьшую стоимость по сравнению с рулевыми механизмами других типов, высокий КПД. С реечным рулевым механизмом можно применять четырехшарнирный рулевой привод при независимой подвеске колес. Из-за высокого значения обратного КПД такой механизм без усилителя целесообразно устанавливать только на легковых автомобилях малого класса, так как в этом случае толчки со стороны дороги, которые передаются на рулевое колесо, в некоторой степени могут поглощаться в результате трения рейки и металлокерамического упора. На легковых автомобилях более высокого класса необходим рулевой усилитель, который поглощает толчки. Червячные рулевые механизмы применяют как на легковых, так и на грузовых автомобилях и автобусах. Наибольшее распространение получили червячно-роликовые рулевые механизмы. Рулевые пары состоят из глобоидного червяка и двух- или трехгребневого ролика. В редких случаях для автомобилей особо малого класса применяют одногребневой ролик. Упрощенная схема червячно-роликовой рулевой пары показана на рис. 5.1, а. Глобоидный червяк 3 предназначен для увеличения рабочего угла (угла, определяемого зацеплением рулевой пары) поворота вала 1 сошки.

280 положениях. Для расширения зоны беззазорного зацепления в ряде конструкций червячно-роликовых пар червяк посажен эксцентрично относительно оси рулевого вала. Червячно-роликовая пара, устанавливаемая на автомобилях (рис. 5.1, б), имеет, как и все механизмы такого типа, две регулировки: осевого зазора при помощи прокладок под передней крышкой и зацепления при помощи регулировочного винта, перемещающего вал 1 сошки вместе с роликом 2, начальное смещение оси которого относительно оси червяка 3 составляет 6 6,5 мм. Винтовые рулевые механизмы могут иметь различное конструктивное исполнение: винторычажные (винт гайка рычаг, качающийся винт и гайка, винт и качающаяся гайка) и винтореечные. Травмобезопасный рулевой механизм один из элементов пассивной безопасности автомобиля. Рулевой механизм может быть причиной серьезной травмы водителя при лобовом столкновении автомобиля с препятствием. Травма может быть нанесена при смятии передней части автомобиля, когда весь рулевой механизм перемещается в сторону водителя. Поэтому картер рулевого механизма необходимо располагать в таком месте, где деформация при лобовом столкновении будет наименьшей. Водитель может получить травму также при резком перемещении вперед в результате лобового столкновения. Ремни безопасности при слабом их натяжении не предохраняют от столкновения с рулевым колесом или рулевым валом, когда перемещение вперед составляет мм. Для пассажиров такое перемещение обычно не приводит к опасным последствиям. По статистике лобовые столкновения автомобилей составляют свыше 50 % всех дорожно-транспортных происшествий. Вследствие этого как международные, так и национальные правила предписывают установку на автомобилях травмобезопасных рулевых механизмов. Существуют некоторые нормативы для испытания травмобезопасных рулевых механизмов. Так, при лобовом ударе (удар о бетонный куб при движении со скоростью 14 м/с (примерно 50 км/ч) верхний конец рулевого вала не должен перемещаться внутрь салона (кабины) в горизонтальном направлении более чем на 127 мм (5 ). На специальном манекене регистрируется величина усилия в горизонтальном направлении (на уровне груди манекена) при скорости 5,5 м/с (примерно 24 км/ч). Это усилие не должно превосходить 11,34 кн. Основное требование к травмобезопасным рулевым механизмам поглощение энергии удара, и, следовательно, снижение 280