Устройство автомобиля с историей развития

Что такое автомобиль? Десятки если не сотни определений, объективные, субъективные, противоречивые, грустные, веселые… Прибегнем к помощи классиков. Вот одно из определений возникшее в 30-х годах прошлого столетия: «Машина, автомобиль, экипаж, который, как говорил Остап, при всех своих недостатках способен, однако, иногда двигаться по улицам без помощи лошадей…»  Для 20-х нынешнего века, возможно, звучит несправедливо, лошадей на дорогах не сыщешь, легче увидеть прицеп для перевозки коней, который буксирует машина, автомобиль, экипаж. Стоит разобраться и понять из чего же состоит это «самобеглое» устройство.

Кузов первых автомобилей

Основной агрегат автомобиля, внутри и снаружи которого размещаются остальные важные узлы и агрегаты, такие как двигатель, трансмиссия, подвеска, топливо, пассажиры и грузы. Кузова первых автомобилей выглядели примерно так:

Первый запатентованный автомобиль Карла Бенца, 1886 г.

Глядя на них, понимаешь, что кузова этих раритетов произошли от конных экипажей, путем отсечения оглобель и установки трескучего, и коптящего двигателя внутреннего сгорания (ДВС). Кузова первых автомобилей были открыты для ветра, дождя, пыли. Поэтому следующим шагом развития кузовов стали попытки создать хотя бы мало-мальские комфортные условия для водителя и пассажиров. Сначала появился складной тент. А затем и крыша над всем пассажирскими сидениями.

машина двадцатого века

Потом появились дверцы со стеклами и кузова стали закрытыми, обеспечивая более или менее удобные условия для тех, кто находился внутри машины.

Кузова получили классификацию. Открытые назвались:

  • фаэтон;
  • ландо;
  • кабриолет;
  • родстер.

Закрытые подразделялись на:

  • седан;
  • купе;
  • лимузин;
  • фастбек;
  • универсал;
  • пикап;
  • многие другие типы.

Разделение было и до сих пор осталось довольно архаичное, часто один и тот же автомобиль может принадлежать к разным типам либо по одним типом подразумевают разные автомобили. Например «Лимузин», одни считают, что это представительская машина с перегородкой между водителем и пассажирами, другие подразумевают под этим названием дорогой «топовый» автомобиль.

Материалы кузовов

По фото можно понять, что изначально кузова делали из дерева, усиливая в нужных местах сталью, медью, бронзой. Постепенно научились выдавливать из листовой стали с помощью штампами на прессах отдельные элементы кузовов, а затем стали производить крылья, капоты, дверцы, другие элементы кузова. Сталь заняла основное место при производстве корпусов автомобиля. Но уже в послевоенное время, в 60-е годы и позже, пытаясь снизить вес машин, начали экспериментировать со стеклопластиками, алюминием, другими экзотическими материалами, в том числе и композитными материалами.

Вес таких кузовов, разумеется, снижался, но и стоимость машин росла неимоверно. Стеклопластиковые панели прижились на штучных спорткарах, где цена не играла большой роли, а затем пришла пора еще более дорогих углепластиков (карбонов). Алюминий успешно применяется на современных автомобилях Audi А6 и А8, BMW, Porsche, Tesla. Заметим, что это не самые дешевые машины. В 80-е годы прошлого века была попытка создать автомобиль с корпусом из «нержавейки». Это культовый DeLorean DMC-12.

DeLorean

DeLorean DMC-12 1983 г. из фильма “Назад в будущее”

Необычная, красивая машина, снялась в фильме «Назад в будущее», но выпускалась лишь ограниченной серией, около 9 000 шт.

По-прежнему основным материалом для кузовов массовых автомобилей остается старая добрая черная листовая сталь.

Кузов на раме или несущий кузов?

Первоначально кузова устанавливались на раму – силовой элемент, который воспринимал все нагрузки от неровностей дороги, и предохранял корпус машины от деформаций.

автомобиль De Dion

Рамы изготавливалась из стальных профилей, и обладали немалой массой. Постепенно к автопроизводителям пришло понимание, что можно сделать кузов, который бы сам воспринимал усилия от шасси автомобиля. В средине 30-х появились первые несущие кузова. Одним из пионеров новой технологии стала компания Citroen.

Автомобиль с подобным кузовом оказывался легче и ниже рамного аналога, что заметно снижало расход топлива, и делало машину более устойчивой на дорогах.

В СССР первым автомобилем с несущим кузовом стала М20 «Победа», разработанная сразу после Великой Отечественной.

ГАЗ-М-20 Победа

«Победа» 1946 – 1958 гг.

Красивый стремительный силуэт, сравним «Победу» с предшественницей, рамным автомобилем, одноклассником «Эмкой» М-1.

Знаковый для СССР автомобиль, но высокий, тяжелый, тихоходный…

Сегодня рамы остались на машинах, предназначенных для эксплуатации в тяжелых дорожных условиях. Типичные представители отечественные УАЗы, японские Toyota Land Cruiser, британский Land Rover Defender (до 2016 г.) Кроме того, рама применяется практически на всех грузовых автомобилях.

Создатели экстерьеров кузовов

В любой автостроительной компании имеется собственное подразделение для создания внешнего вида автомобиля. В то же время сохранились и кузовные ателье, создающие по заказам дизайн экстерьера машин, в том числе и массовых моделей. Большинство таких ателье имеют итальянские корни. Названия Ghia, Bertone, ItalDesign, Pininfarina у всех на слуху. Именно ItalDesign в лице выдающегося дизайнера Джорджетто Джуджаро, создал внешний вид эталонного в своем классе Volkswagen Golf I в начале 70-х, Audi 80, конец 70-х, Lexus GS, 1993 г. Он же разработал «космический» экстерьер De Lorean DMC-12 1981 г.

Кузовные ателье «приложили руку» к внешнему виду Opel Astra, BMW Younique, Jaguar B9, Aston Martin, отечественной LADA Niva Travel, многим другим моделям из Европы, Японии, Кореи и Китая. Рис 12. Niva Travel

Стоит отметить, что происходит объединение сил дизайнерских подразделений известных производителей, это конечно же снижает затраты на разработку конструкций машин, в том числе и на экстерьер кузовов, но делает автомобили производящиеся в разных странах, на разных континентах похожими друг на друга. Увы, это горькие плоды глобализации…

Двигатель

Четырехтактный бензиновый двигатель внутреннего сгорания – двигатель Отто, доработанный Карлом Бенцем, был установлен в 1885 г. на открытую коляску – шасси.

первый двигатель ДВС

Первый ДВС на автомобиле К. Бенца

Первый автомобильный ДВС выглядел неказисто, имел один цилиндр, не бог весть какие характеристики, мощность всего-то 0,9 л.с. Но это не помешало ему в течение 15 – 20 лет расправиться со своими конкурентами – паровыми и электрическими автомобильными моторами. За 140 лет своего существования бензиновый двигатель превратился в мощный многоцилиндровый агрегат, поднял свой КПД с 15 – 20 до 40%. ДВС на современных автомобилях обладает мощностью от 50 до 500 – 600 л.с. Вот современный автомобильный мотор – монстр, 12-ти цилиндровый W – образный двигатель AUDI.

двигатель w12 Audi

W – образный ДВС AUDI

Его рабочий объем 6 литров, мощность 610 л.с., устанавливается в автомобиль представительского класса AUDI A8. Однако, наиболее популярные сегодня – это рядные четырехцилиндровые бензиновые ДВС. В них всеми процессами работы управляют электронные микрокомпьтерные системы, которые получают данные от множества датчиков, установленных  в двигателе, трансмиссии, кузове.

Некоторые типы датчиков:

  • температуры охлаждающей жидкости двигателя, трансмиссионной жидкости АКПП или вариатора, забортного воздуха;
  • массового расхода воздуха;
  • положения дроссельной заслонки и электронной педали акселератора;
  • угловой скорости двигателя;
  • положения коленвала;
  • вращения колес;
  • кислорода в выхлопных газах (лямбда зонды);
  • Другие виды датчиков.

Обработав поступающие данные, электронный блок управления (ЭБУ) вырабатывает управляющие сигналы, которые обеспечивают не только оптимальный режим работы двигателя, но также контролируют режимы автоматической трансмиссии. В некоторых случаях ЭБУ может быть интегрирован с системами антиблокировки колес, и курсовой устойчивости автомобиля.

Дизельные ДВС

Двигатель с самовоспламенением топливной смеси, запатентованный Рудольфом Дизелем в 1892 г., изначально работал на каменно-угольной пыли, был сложен, громоздок, поэтому никто не помышлял в те времена о его применении в автомобиле. В 20-х годах XX века инженер-изобретатель Роберт Бош существенно усовершенствовал систему питания дизельного двигателя, создав топливный насос высокого давления (ТНВД) и бескомпрессорные форсунки для впрыска жидкого топлива – керосина в цилиндры. Это послужило толчком для развития автомобильных дизельных двигателей. Высокая экономичность таких ДВС постепенно позволила установить их на грузовой транспорт. Именно дизельный силовой агрегат приводил в движение массовый грузовик Опель Блиц, ставший «рабочей лошадкой» немецкого вермахта во Второй Мировой.

ДВС грузовика имел объем 3, 7 литра, при мощности около 70 л.с., очень неплохие данные!

После окончания Второй Мировой войны дизельные грузовики получили распространение на тяжелых грузовиках во многих странах. Не стал исключением и СССР. В послевоенное время в Ярославле был начат серийный выпуск двигателей ЯАЗ-204. При объеме 4,7 литра, дизель «выдавал» 110 л.с. Мотор ставили на грузовик семитонник ЯАЗ-МАЗ-200.

Кроме того двигатель приводил в движение автобус ЗиС-154.

Новая волна интереса к дизельным ДВС возникла в 70-х годах, во время энергетического кризиса. Экономичность дизеля, относительно низкие цены на солярку привели к появлению компактных силовых агрегатов, которые применялись на легких грузовиках и легковых автомобилях, даже малых классов В и А. Появление надежных и бюджетных турбонаддувных агрегатов позволили еще больше снизить габариты дизельных моторов и поднять их мощность. В самом конце XX века появились системы непосредственного впрыска топлива в цилиндры дизеля – Common Rail. Такие агрегаты позволили заметно поднять экологичность дизельных ДВС, снизить потребление топлива, уменьшить шум работы моторов.  Однако в 10 – 20 годы интерес к дизельным двигателям для легковых автомобилей заметно упал. Рост цен на дизельное топливо, жесткие экологические ограничения по выбросу сажи, серьезно снизили привлекательность таких двигателей.

дизельный двигатель

Тяговые электродвигатели автомобилей

Более ста лет автомобильный электрический привод был в забвении, и не потому, что сам электромотор имел какие-то изъяны, просто накопители электроэнергии – аккумуляторы не могли тягаться по энергоемкости с баком углеводородного жидкого топлива. Кислотные или щелочные аккумуляторы, свинцовые или никель-кадмиевые отличались громоздкостью и большим весом. В немногочисленных проектах электромобилей, аккумуляторы в основном возили самих себя, на полезную нагрузку оставалось до обидного мало. Пробег на одной зарядке тоже не внушал оптимизма, 50 максимум 100 км, да еще и с промежуточной подзарядкой.

Новый тип тяговых аккумуляторов

Ситуация кардинально изменилась в конце XX и начале XXI века с появлением технологий литий-ионных электрических аккумуляторов.  Легкие, обладающие большой емкостью, они обеспечивали пробег автомобиля в 200, 400, и даже 600 км на одной зарядке. Правда, пока цена таких батарей довольно высока и делает электромобиль дороже своего одноклассника с ДВС на 70 – 200 % дороже.

Nissan Leaf заряжается

Некоторые характеристики Nissan Leaf:

  • Мощность двигателя 156 кВт;
  • Максимальная скорость 155 км/ч;
  • Запас хода 360 – 460 км (вычисляется по разным методикам);
  • Тяговая батарея – литий-ионная 62 кВт*ч;
  • Стоимость на японском рынке около 40 000 долл.США.

Однако технологии производства литий-ионных источников постоянно совершенствуются, и предел развития характеристик таких аккумуляторов пока не виден. Заводы по производству подобных тяговых батарей растут, как грибы, в США, Китае, Корее, других странах.

Разумеется, проблем у электромобилей пока хватает, но в принципе все они со временем решаемы.

Водородо-кислородные источники электроэнергии

Идет поиск и развитие альтернативных источников электроэнергии. Например, возродился интерес к топливным элементам. К устройствам, в которых под воздействием катализатора происходит медленное окисление водорода. При этом выделяется электричество и … абсолютно чистая вода. Подобные системы подпитывали электричеством системы космических кораблей «Аполлон» во время лунных экспедиций в далеких 1969 – 1972 гг., кроме того, экипажи астронавтов получали питьевую воду. Правда, и цена таких устройств была тоже космическая. Работы по развитию топливных элементов ведутся во многих странах, вполне возможно, что через 10 – 15 лет водородо-кислородные источники энергии обоснуются на электромобилях.

Подвеска

система подвески авто

Схема подвески автомобиля

Эта система устройств и механизмов автомобиля объединяет колеса автомобиля и кузов, воспринимая воздействия от неровностей дороги. В идеале подвеска полностью гасит удары и вибрации, не дает корпусу машины раскачиваться при движении.

Состав и устройство

Для смягчения толчков и вибраций от колес служат упругие элементы подвески. Изначально это были рессоры, которые изготавливались не только из стали, но и из прочных сортов дерева, а также применялись пришедшие из каретной техники, ременные поглотители ударов от колес. Однако уже в начале XX века сталь практически полностью вытеснила неметаллы из упругих элементов подвески автомобилей. (Правда, через 90 – 100 лет появились стеклопластиковые, композитные рессоры, с отличными характеристиками, и близкие по стоимости к стальным.)

Рессоры по форме могли быть:

  • Эллиптическими;
  • Полуэллиптическими;
  • И даже, четвертьэллиптическими.

На автомобилях классической компоновки передний мост – кованная стальная балка крепилась к кузову одной поперечной эллиптической или полуэллиптической рессорой. Позже, возле каждого из передних колес вместо поперечных рессор появились “свои” продольные, левая и правая. Задний мост долгое время представлял собой жесткий металлический корпус, который крепился к низу кузова двумя рессорами. В средине – конце 30-х годов в передней подвеске для более комфортной, плавной езды начали применять стальные витые пружины, цилиндрической, бочкообразной и конической формы. Через 20 – 30 лет пружины стали массово применяться и в конструкции задней подвески. Борьба за комфорт автомобиля не прекращалась! Реже в качестве упругих элементов применялись торсионы – металлические стержни, работающие на кручение.

Как правило, торсионы встречаются в подвесках автомобилей работающих в тяжелых дорожных условиях – вездеходах, армейских машинах и даже в танках. В 50-х годах компания Ситроен применила гидро-пневматическую подвеску на своей футуристической модели Citroen DS. Подвеска заметно увеличивала плавность хода, почти полностью поглощала удары от неровностей дороги, изменяла клиренс автомобиля в зависимости от условий движения. Сейчас более простая пневматическая подвеска применяется на пассажирском, коммерческом транспорте, и в легковых автомобилях премиум-класса Порше, Ауди, Мерседес, Лексус.

Гасители вибраций

Автомобили двигались все быстрее, и уже на скоростях в 30 – 40 км/ч появилось опасное раскачивание кузовов. Помогли спортивные технологии. На передних и задних мостах появились гасители вибраций – демпферы, получившие название амортизаторы. Первоначально это были механизмы рычажного типа, но уже в 50-х годах их полностью вытеснили трубчатые конструкции. Принцип гашения колебаний практически один, перепуск рабочей жидкости – масла через калиброванные отверстия смежных полостей амортизатора, и превращение кинетической энергии движения штока демпфера в тепло, отводимое корпусом. Чисто масляные амортизаторы потеснились газонаполненными конструкциями, где масло “подпирается” давлением газа.  Небольшое применение в спорткарах имеют газовые конструкции, там рабочий газ находится под высоким давлением 60 и более атм.

От правильного выбора типа амортизаторов, их настройки во многом зависит не только комфорт водителя и пассажиров при поездке в автомобиле, но, в первую очередь их безопасность.

Развитие подвески

Борьба за комфорт не прекращалась, и если подвеска задних колес долго оставалась неизменной – жесткий задний неразрезной мост на рессорах или пружинах, то подвеска передних колес быстро преображалась. В 40-ых годах поворотные кулаки рулевых передних колес, которые раньше непосредственно крепились к балке, стали устанавливаться на пару поперечных рычагов слева и справа машины. Передние рессоры уступили место пружинам, расположенным непосредственно в блоке рычагов. Так появилась популярная долгие годы независимая двухрычажная подвеска. В СССР она впервые применилась на “Победах” М-20, оттуда перешла на “Волги” ГАЗ-21 и ГАЗ-24, на “Москвичи”, пришла из Италии на ВАЗ2101, ушла в Польшу на микроавтобусы “Ныса”, “Жук”.

В конце 60-х в автомобилестроении начался бум подвески McPherson – “Качающаяся свеча». Здесь единственный нижний рычаг подвески опирался на кузов через вертикальную пружинную телескопическую стойку, внутри которой «прятался» амортизатор. Подвеска идеально подходила для машин с передним приводом, которые стремительно завоевывали автомобильный мир. Простота конструкции, компактность, высокий комфорт – это главные плюсы “Качающейся свечи”. Серьезный минус McPherson – плохое восприятие ударных нагрузок, «нелюбовь» ухабистых дорог. Поэтому внедорожники по-прежнему используют мощную переднюю двухрычажную подвеску либо жесткий неразрезной мост.

Постепенно эволюционировала и задняя подвеска. Вначале жесткий мост уступил место независимой подвеске задних колес, привод которых осуществлялся от главной передачи качающимися полуосями через карданные шарниры или ШРУСы. Затем здесь прочно обосновалась многорычажная подвеска, обеспечивающая комфорт пассажирам на задних сиденьях.

Подвеска современного автомобиля

Передняя подвеска McPherson, задняя – «многорычажка», сегодня это принадлежность подавляющего большинства выпускаемых автомобилей. От утилитарного Форд «Фокуса» до представительских АУДИ А8.

Безусловно, в статье такого формата невозможно проследить и описать эволюцию всех узлов и агрегатов автомобилей. Поэтому будет хорошо, если читатели дополнят написанное своими комментариями, о наиболее интересных механизмах и устройствах в исторических и современных автомобилях.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

*