Автоликбез или устройство автомобиля для чайников

В последнее время то тут то там встречаю посты, касательно автомобильной тематики и часто они вырваны из контекста и не содержат внятных объяснений, как, например, недавний пост про активный дифференциал.
Посему я решил вынести в отдельный пост принципы функционирования основных узлов и агрегатов современных автомобилей, снабжая объяснения по возможности видеороликами и картинками.
Не судите строго, я в общем-то не автоэксперт, но я не ставлю задачу написать статью для автомеханика, а просто хочу на пальцах объяснить основные принципы для тех, кто вообще не в теме.
Ваши дополнения и исправления в комментариях приветствуются.
К сожалению на фишках есть ограничение на количество публикуемых роликов в день, поэтому я буду давать ссылки на видео, а не вставлять их в статью. Их нужно копировать и вставлять в адресную строку браузера. Это не удобно, но я не знаю как обойти.

Общая схема функционирования двигателя внутреннего сгорания

Начнем с двигателя.

https://youtu.be/ET6V9QeA-WE
Тут, в принципе, без комментариев - все элементарно. Все комментарии в видео.

✖

Принцип работы реального ДВС

https://youtu.be/3jAI86BFDHA
В этом видео наглядно рассмотрена схема работы 4-х цилиндрового 16-ти клапанного двигателя Ford. Детально разобрана схема работы системы газораспределения. Показана работа всех 4-х тактов работы двигателя:
1. Впуск: открываются впускные клапана, синим показана топливовоздушная смесь, которая подается из зеленой форсунки во впускном коллекторе через открытые впускные клапана в камеру сгорания. Поршень идет вниз, создавая отрицательное давление, благодаря которому смесь засасывается в цилиндр
2. Сжатие: все клапана закрыты и поршень из крайнего нижнего положения идет вверх, сжимая смесь. Кстати, отношение объема камеры при самом нижнем положении поршня и самом верхнем называется степенью сжатия. Не путать с компрессией. Компрессия — зависит от степени сжатия, от природы сжимаемого газа и от условий сжатия, считается по умной формуле - это сейчас не важно.
Существуют разные виды топлива: Бензин с различными октановыми числами, природный газ, дизельное топливо и каждый двигатель, а точнее его степень сжатия, разработан под конкретный вид топлива. Дело в том, что различные виды топлива при сжатии имеют порог детонации, то есть самопроизвольного возгорания. В бензиновых двигателях детонации быть не должно (зажигание смеси производится с помощью свечей зажигания), т.к. это приведет к его разрушению. Дизельные двигатели наоборот работают на принципе детонации. Конструкторы стремятся повысить степени сжатия бензиновых двигателей, т.к. это повышает их КПД, но одновременно требует применения бензина с более высоким октановым числом, т.к. октановое число показывает устойчивость бензина к детонации: более высокое октановое число - бОльшая стойкость к детонации. Если вы, скажем, в автомобиль, рассчитанный на 95-й бензин зальете 80-й, то услышите характерный звук и вибрацию, свидетельствующую о том, что топливовоздушная смесь детонирует, то есть самовозгорается от сжатия не дожидаясь зажигания от свечи. В этом случае двигатель как-то будет еще работать, но быстро выйдет из строя.
Дизельные двигатели работают на более тяжелых фракциях переработки нефти - дизельном топливе. Его свойства таковы, что оно плохо загорается от внешнего зажигания (можете попробовать разлить немного солярки и поджечь спичкой - оно загорится, но разгораться будет очень вяло в отличие от бензина, где только и успей отскочить), зато очень хорошо возгорается от сжатия. В дизельных двигателях в отличие от бензиновых степень сжатия в среднем в 2 раза больше и отсутствует система зажигания, т.к., как я уже сказал, топливо самовозгорается от сжатия. В остальном конструкция двигателя похожа на конструкцию бензинового двигателя.
3. Зажигание: Это не является, собственно, тактом, но для наглядности я пронумеровал его. В крайнем верхнем положении топливовоздушная смесь поджигается свечами зажигания, смесь возгорается. Момент зажигания называется углом опережения зажигания. В современных автомобилях он динамически устанавливается электронным блоком управления двигателя в зависимости от различных условий езды. В дизельных двигателях, т.к. зажигания там нет, а моментом воспламенения надо управлять, вместо угла опережения зажигания применяется угол опережения впрыска. Дело в том, что при впуске в дизельном двигателе в цилиндр засасывается не топливовоздушная смесь, а исключительно воздух, причем зачастую нагнетаемый под давлением турбиной для повышения КПД двигателя, а в момент крайнего верхнего положения поршня через форсунки в камеру впрыскивается топливо, которое сразу же воспламеняется и создает толкающий момент для поршня.
4. Рабочий ход: После зажигания воспламененные пары топливовоздушной смеси создают избыточное давление, толкающее поршень.
5. Выпуск. Поршень находится в крайнем нижнем положении. В этот момент открываются выпускные клапана и при движении поршня вверх отработанные пары газа выводятся в выпускной коллектор и далее в систему выпуска отработанных газов, где они в современных машинах проходят дополнительно через каталитический нейтрализатор, который доокисляет СО, СH и CN в менее вредные соединения.
Еще один важный момент - это система газораспределения. Она состоит из распределительного вала или валов, клапанов, ремня или цепи и некоторых второстепенных элементов. На видео наглядно видно 2 распределительных ваза с кулачками и цепь, которая соединяет их с коленчатым валом двигателя для согласования всех фаз газораспределения. То есть очень важно, что бы конкретный клапан открылся в конкретный момент времени. В современных автомобилях для повышения КПД применяются так называемые системы изменения фаз газораспределения. Я не буду на них останавливаться подробно. Скажу лишь, что эти системы встраиваются между приводной цепью распределительных валов и самими распределительными валами и позволяют с помощью электроники изменять фазы открытия клапанов при впуске. Дело в том, что график зависимости крутящего момента от частоты вращения двигателя имеет форму близкую, к колоколообразной, то есть максимум крутящего момента приходится на очень узкий диапазон частот вращения коленчатого вала двигателя. Применяя такие системы изменения фаз газораспределения можно добиться некоторой "полки" крутящего момента, то есть диапазона частот вращения двигателя, при котором крутящий момент максимальный или близкий к максимальному. Системы изменения фаз газораспределения у разных автомобильных компаний называются по разному: CVVT, VANOS, VVT-i, VCP и другие. Если интересно, можете почитать про них отдельно.
Это все, что я хотел сказать по двигателю. Идем дальше.

Коробка переключения передач

Для чего она вообще нужна? Кто сходу ответит? Я уже говорил выше, что в двигателях внутреннего сгорания (в отличие, кстати от электромоторов) полка крутящего момента очень узкая, то есть двигатель имеет максимальный крутящий момент в узком диапазоне частот (грубо 3500-4000 об/мин на бензиновом и 2000-2500 на дизельном), а частота вращения колес автомобиля от 0 и до нескольких тысяч об/мин. Поэтому приходится изменять передаточные отношения между коленчатым валом двигателя и приводными валами колес для удержания оборотов двигателя в зоне максимального крутящего момента.
Вот для этого она и нужна. Какие они бывают?
1. Механические - передаточное отношение регулирует сам водитель
2. Автоматические - передаточные отношения регулирует сама коробка передач по информации от датчиков.
Автоматические в свою очередь делятся на:
а. Гидромеханические
б. Бесступенчатые (вариаторные)
в. Роботизированые.

О каждой по порядку.

Сцепление механической КПП

https://youtu.be/qTlxN6mV2BY

Рассматривать, как работает механическая коробка передач необходимо с принципа работы сцепления. Сцепление нужно для того, что бы прерывать подачу крутящего момента от двигателя к колесам при переключении передач и при трогании с места. Подробнее смотрите на видео.

Механическая КПП

https://youtu.be/CIxuNKXZFbM

Ну а в этом видео на мой взгляд подробно разжевано, как работает сама КПП и синхронизаторы. Видео старое, но принципы работы МКПП остались прежними.
Идем дальше.

Гидротрансформатор автоматической КПП.

Подобно тому, как в механической КПП я начал со сцепления, в автоматической КПП я начну с того, что выполняет его функцию - с гидротрансформатора.
Гидротрансформатор является одним из видов гидромуфты (устройства, передающего крутящий момент не напрямую, а через трение о жидкость), которая позволяет двигателю вращаться независимо от трансмиссии. Если двигатель вращается медленно, например, когда автомобиль работает на холостом ходу на красном сигнале светофора, количество крутящего момента, который передаётся через гидротрансформатор, очень мало, и его достаточно, чтобы удержать автомобиль на месте путём лишь лёгкого давления на тормозную педаль.
Гидротрансформатор состоит из 3-х основных элементов
1. Насосное колесо - жестко соединено с корпусом гидротрансформатора, который в свою очередь жестко соединен с маховиком двигателя и коленчатым валом.
2. Турбинное колесо - жестко соединено с входным валом коробки передач
3. Статор или реактор - самая загадочная часть гидротрансформатора, которая отличает его от гидромуфты. В обычной гидромуфте крутящий момент передается от насоса к турбине через масло, то есть не жестко, а с проскальзыванием. За счет этого КПД такой муфты не велик, т.к. часть энергии тратится на проскальзывание.
Принцип действия:
Насос внутри гидротрансформатора является одним из видов центробежных насосов. В то время как он вращается, жидкость движется направленно от центра к краям, примерно как вращающийся барабан стиральной машины во время отжима бросает воду и одежду по своим стенкам. В то же время, так как жидкость устремляется от центра, в это центре создаётся вакуум, который привлекает ещё больше жидкости.
Затем жидкость поступает в лопасти турбины, которая связана с передачей. Именно турбина заставляет передачу крутиться, что в основном и приводит в движение Ваш автомобиль. Так как же жидкость (точнее, масло) поступает из насоса к турбине?! Дело в том, что в то время, как жидкость эта устремляется от центра к краям насоса, она встречает на своём пути лопасти насоса, которые направлены таким образом, что жидкость рикошетит о них и направляется уже вдоль оси вращения насоса прочь от него - к турбине, которая как раз и расположена напротив насоса.
Лопасти турбины также немного искривлены. Это означает, что жидкость, которая поступает в турбину снаружи, должна изменить своё направление, переместившись в центр турбины. Именно это направленное изменение вызывает вращение турбины.
Чтобы ещё проще представить принцип работы гидротрансформатора, представим ситуацию с расположенными друг напротив друга на небольшом расстоянии (допустим, около одного метра) комнатными вентиляторами и направленными друг напротив друга - если включить один из вентиляторов, то он за счёт своих искривлённых лопастей погонит воздух от себя к вентилятору, который стоит напротив него, а тот, в свою очередь, начнёт вращаться, потому как его лопасти также искривлены и поток воздуха толкает их все в какую-либо одну сторону (именно в ту сторону, в какую и начнёт вращаться вал вентилятора).
Но мы всё ещё двигаемся далее: жидкость выходит из турбины в её центре, двигаясь опять же в другом - противоположном направлении, чем то, в котором она когда-то вошла в турбину - то есть снова по направлению к насосу. И вот здесь заключается большая проблема - дело в том, что по своей конструкции (точнее, по конструкции своих лопастей, насос и турбина вращаются в противоположные стороны, и, если жидкости будет разрешено попасть обратно в насос, то это будет сильно замедлять двигатель. Вот почему гидротрансформатор имеет статор, который, благодаря своей конструкции, изменяет направление движения масла, и, таким образом, остаточная энергия, которая возвращается от турбины к насосу, идёт в дело - немного помогая двигателю раскручивать насос. Наглядно себе это представить можно на примете тех же 2-х вентиляторов. Если поток воздуха, который прошел через ведомый вентилятор перенаправить на ведущий вентилятор сзади, образуя петлю обратной связи, то он будет как бы дополнительно помогать его работе. Этот эффект как раз и позволяет усиливать крутящий момент на турбине. В англоязычной литературе гидротрансформатор так и называется: Torque converter - конвертер крутящего момента.
Важно отметить, что скорость вращения турбины никогда не будет равной скорости вращения насоса, а КПД в гидротрансформаторе даже близко не будет стоять к механическим шестерёнчатым механизмам, передающим крутящий момент. Именно поэтому у автомобиля с АКПП значительно более высокий расход топлива. Для борьбы с этим эффектом, большинство автомобилей имеет гидротрансформатор, снабжённый блокировочной муфтой . Когда требуется, чтобы две половинки гидротрансформатора (насос и турбина) вращались с одинаковой скоростью (это происходит, например, когда автомобиль движется на высокой скорости), блокировочная муфта блокирует их вместе намертво, что исключает проскальзывание насоса относительно турбины и, таким образом, повышает эффективность расхода топлива. Так же стоит отметить, что на большой скорости, когда скорости вращения насоса и турбины будут примерно равны, статор начал бы уже мешать свободной циркуляции масла от насоса к турбине. Для этого он закреплен не жестко относительно корпуса КПП, а на обгонной муфте (в одну сторону вращается свободно, в другую клинит). Когда поток масла направлен на рабочую поверхность крыльчатки статора, то он работает, как было сказано выше. Когда турбина раскручивается, поток масла начинает давить на тыльную сторону его крыльчатки и в этот момент обгонная муфта расклинивает и статор начинает свободно вращаться в ту же сторону, что и турбина не мешая потоку масла.
Несмотря на явные недостатки гидротрансформатора, данная конструкция зарекомендовала себя, как исключительно надежная. Надежнее пока, на мой взгляд, ничего не придумали.
Сказано много и не понятно)) Ниже я привел видео, где все это показано наглядно, но без комментариев.

Гидромеханическая АКПП

https://www.youtube.com/watch?v=vFWnY3acVvQ

Идем дальше.
Ок, крутящий момент от двигателя передали на КПП. Что дальше?
А дальше самая веселуха. Гидромеханическая АКПП в корне отличается по конструкции от механической МКПП. В ней отсутствуют привычные парные зубчатые зацепления. Вместо них применяется набор планетарных редукторов.
Их работа, а так же работа гидротрансформатора наглядно представлены на видео.
Видео, правда старое, 80-х годов, но с тех пор изменился лишь принцип управления элементами АКПП. Раньше он был исключительно гидравлическим, теперь же он полностью электронный: информация с датчиков скорости, положения педали газа и других анализируется в электронном блоке управления и он принимает решения о том, какую передачу выбрать. Количество передач в АКПП зависит от количества планетарных рядов и связей между ними. Раньше, когда не было жестких экологических требований и бензин был дешевым, двигатели делали мощными и не требовалось большого числа передач в АКПП, т.к. двигателю хватало сил вытягивать в широком диапазоне частот вращения коленвала.
Первые АКПП в 50-х годах в Америке были всего с 2-мя передачами. Кстати, наш любимый ЛИАЗ 677 имел АКПП с 2-мя передачами. Потом, в 70-х их стало 3, но тогда двигатели были 6-8ми литровые и проблем не было. В 80-х с подорожанием нефти появились малолитражки с 4-я передачами.
Современные автомобили имеют в АКПП 6-8 передач и больше.

Вариаторные АКПП (CVT)

https://www.youtube.com/watch?v=fZQj4a3lro8

В данных КПП так же присутствует гидротрансформатор, однако сама коробка передач конструктивно отличается.
В ней нет вообще зубчатых передач. Вместо них там 2 пары конусов, направленных остриями друг к другу. Одна пара конусов расположена на ведущем вале, вторая - на ведомом. На кручение конуса не имеют свободы относительно валов, но под воздействием сервоприводов могут двигаться на встречу друг другу и обратно.
Крутящий момент от одного вала к другому передается через специальный металлический ремень. Как регулируется передаточное отношение?
Конуса, двигаясь на встречу друг другу уменьшают или увеличивают эффективный диаметр передачи, тем самым изменяя передаточное отношения бесступенчато.
На сегодняшний день - это самые эффективные КПП с точки зрения КПД. Они эффективнее даже механических КПП.
Но есть большой недостаток - ремень. Какой бы он прочный не был, он все равно остается ремнем и имеет существенное ограничение по стойкости на растяжение.
Кроме того, сервомеханизмы, двигающие конуса работают непрерывно в процессе движения, подбирая оптимальное передаточное отношение и подвержены быстрому износу. Конечно, производители пытаются найти выход из положения искусственно вводя псевдоступенчатое переключение, что бы уменьшить работу сервомеханизмов, но все равно срок службы таких коробок существенно ниже традиционных АКПП и они имеют большие эксплуатационные характеристики.
По моему опыту я не видел ни одной из таких КПП, которые не подвергались бы ремонту на пробегах до 100 тыс. км.
Их ставят в основном на бензиновые модели, т.к. они имеют не высокий крутящий момент двигателя, который способны выдержать КПП.

Роботизированные коробки передач

Тут я буду краток. Картинки и видео довольно сложны в понимании, а на словах схема довольно проста.
Роботизированная коробка передач состоит из двух основных узлов:
Механической коробки передач и исполнительного механизма автоматизированного переключения передач.
иными словами, это та же самая МКПП со сцеплением, выжим сцепления и переключения передач в которой берут на себя автоматизированные механизмы.
Плюсы: простота конструкции, дешевизна.
Минусы: большие провалы при переключении передач.
В настоящее время такие КПП постепенно вытесняются перселективными коробками передач.
Преселективные КПП представляют собой развитие роботизированных КПП.
Особенностью данной коробки передач является то, что имеется два отдельных вала для чётных и нечётных передач, каждый из которых управляется своим сцеплением. Это позволяет предварительно переключить зубчатые колёса очередной передачи, после чего почти мгновенно переключить сцепления, при этом разрыва крутящего момента не происходит. Схема работы представлена на рисунке.
Достоинства: минимальное время переключения передач
Недостатков куча: сложность конструкции, дороговизна, дороговизна в обслуживании, склонность к перегреву. Короче, нужен ли вам этот геморрой?))
Разные производители называют их по-разному, но наиболее яркий представитель - это DSG от VolksWagen.

Дифференциал

Давайте теперь разберемся, как же крутящий момент передается от коробки передач к колесам? Вал-то один, а колес 2 или 4 в зависимости от привода.
Для этого служит такая штука, как дифференциал.
Дифференциал служит для распределения подводимого к нему крутящего момента между выходными валами и обеспечивает возможность их вращения с неодинаковыми угловыми скоростями.
По месту расположения дифференциалы подразделяют на:
- межколесные (распределяющие вращающий момент между ведущими колесами одной оси)
- межосевые (распределяющие момент между главными передачами двух ведущих мостов)
- центральные (распределяющие момент между группой ведущих мостов)
По конструкции и принципу действия их условно можно разделить на:
1. Свободные
2. С блокировкой. а их в свою очередь можно разбить на:
а. С жесткой блокировкой
б. С дисковой блокировкой
в. С блокировкой вискомуфтой
г. С винтовой блокировкой
д. Активные дифференциалы

Свободный дифференциал

https://www.youtube.com/watch?v=qbcwdSSq5h4

Принцип действия простейшего свободного дифференциала разобран на видео. Комментарии излишни

Дифференциал с жесткой блокировкой

https://www.youtube.com/watch?v=ZFxefjkGtlc

Данный тип простейшего дифференциала с блокировкой служит для увеличения проходимости машины в грязи, когда нужно, что бы все колеса вращались с одинаковыми скоростями. Такая блокировка активируется вручную.

Дифференциал с дисковой блокировкой.

Блокировка, это, конечно хорошо, но хотелось бы как-то автоматизировать процесс, что бы она активировалась сама и только в нужные моменты. Один из видов дифференциалов с автоматической блокировкой - дифференциалы с дисковой блокировкой.
Устроены они почти так же, как и свободные дифференциалы, но валы в них связаны друг с другом посредством подпружиненных фрикционов. То есть в случае пробуксовки дисковая блокировка может добавить на отстающий вал немножко крутящего момента - столько, сколько фрикционы способны выдержать до начала проскальзывания. Как правило, это совсем немного, что позволит компенсировать лишь незначительное падение крутящего момента, например, при попадании колеса на пыльный или мокрый асфальт.

Вискомуфта

https://www.youtube.com/watch?v=sL6Suq5rnoM

Принцип действия довольно прост. При существенном различии скоростей вращения валов жидкость внутри муфты нагревается становится более вязкой, благодаря чему на отстающий вал начинает передаваться больше крутящего момента.
Часто применяется как межосевой дифференциал на машинах с полным приводом для подключение второй оси при пробуксовке колес первой.
Для межколесной блокировки применяется совместно с обычным открытым дифференциалом.
Недостаток: склонна к перегреву, из-за чего не может использоваться длительное время.

Дифференциал с винтовой блокировкой

https://www.youtube.com/watch?v=qFrORHoL9H4

Куда более совершенными являются дифференциалы с винтовой блокировкой, в частности Torsen и Quaife. В отличие от всех предыдущих, созданных по принципу “открытый дифференциал с коническими шестернями + блокировка”, эти модели устроены совсем иначе. Особенность в хитрых червячных передачах: когда на одном из валов падает крутящий момент, шестерни начинает расклинивать и момент тут же перебрасывается на другую ось. То есть дифференциал даже не дожидается начала проскальзывания колеса – он реагирует на ухудшение сцепления с дорогой! При этом чем сильнее водитель жмет на газ, тем “жестче” связь между валами: в пределе на одну ось может приходится до 80% крутящего момента. Получается, что дифференциал “зажимается” тогда, когда надо – в момент разгона, а под сброс газа никак не мешает независимому вращению валов.

Активные дифференциалы

https://www.youtube.com/watch?v=6Oabw1Jp5cg
Ну и наконец активные дифференциалы.
Пионером в этой области является Mitsubishi, оснастившая им свой Lancer Evolution. Взяв за основу обычный открытый дифференциал, японцы дополнительно соединили выходные валы через две передачи - повышающую и понижающую, включением которых управляет электроника при помощи мокрых сцеплений. Таким образом, задействуя ту или иную передачу, компьютер может заставить один вал крутиться быстрее или медленнее другого! Усилие же, а точнее величина перебрасываемого крутящего момента, регулируется изменением степени проскальзывания сцепления.
Активный дифференциал устанавливается на заднюю ось автомобиля, наделяя его невиданной устойчивостью в поворотах: там, где любой другой в ответ на прибавление газа уже давно бы “повис” в заносе, автомобиль с таким дифференциалом лишь активнее ввинчивается в вираж. Не страшно и бездорожье – если забуксовало одно колесо, то второе будет стремиться вращаться еще быстрее.
Ниже дополнительно я приложил пару картинок для наглядности.

Активный дифференциал - движение налево

Активный дифференциал - движение направо

Ну как-то так. Я мог бы еще коснуться подвески, но там не так интересно, да я, наверное, вас и так загрузил не плохо.
Еще раз повторяю - я не автоэксперт и мог чего-то не учесть или изложить не точно. В комментариях можете добавлять свои мысли и видео.

#авто #факты

Fishki в Телеграм

Посты на ту же тему