Итак, выбор двигателя сделан. ДВС победил. Теперь человек, имея компактный и мощный двигатель и четырёхколёсный экипаж с закрытым кузовом, мог соединить их воедино и поехать без помощи лошади. Проблемы решены? Если бы...



Рама и кузов.

ДВС позволил автомобилю разогнаться быстрее лошади. Но... при этом деревянная конструкция его на ухабах затрещала по швам. Потребовалась разработка устройства, не позволяющего машине развалиться при больших динамических нагрузках, возникающих с ростом скорости. Появилась стальная рама. Сперва простая и технологичная, с прямыми лонжеронами и поперечинами, получившая название рамы "лестничного типа".

Рама грузового автомобиля с прямыми лонжеронами


Затем лонжероны стали изгибать в разных плоскостях, подстраивая раму под особенности компоновки автомобиля. В таком виде она применяется и по сей день в современных вседорожниках.


Рама с установленным на ней двигателем, коробкой передач, подвесками, мостами и колёсами представляла собой основу автомобиля. Именно эту основу в начале 20-го века производили автомобильные компании, а кузова для машин (часто по-прежнему деревянные) производились отдельными кузовными фирмами. Поэтому автомобили одной и той же модели могли внешне выглядеть по-разному.

Автомобиль Duesenberg J Speedster. 1930 год. Шасси Duesenberg J и кузов работы мастерской Джозефа Фигони.



Впоследствии кузовные фирмы либо объединились с производителями автомобильных шасси, либо обанкротились и прекратили своё существование. Из ворот автопроизводящих компаний стали выходить автомобили в готовом виде.
Рамные конструкции имеют свои достоинства: прочность, надёжность и "неубиваемость" конструкции, лучшая шумо- и виброизоляция кузова, сравнительная простота и лёгкость самого кузова, не несущего больших нагрузок, как следствие - возможность простой установки на раму кузова любого типа (особенно актуально для открытых кузовов типа "кабриолет").
Недостатки рамы - довольно высоко поднятый пол в салоне автомобиля, большая масса и довольно-таки нечёткая, "размазанная" управляемость автомобиля. Ведь стандартная стальная рама, обладая отменной прочностью на сжатие, разрыв и прогиб, довольно легко "гуляет" при скручивании её вдоль продольной оси "пропеллером", работая при этом как некий дополнительный упругий элемент подвески. Эта особенность - несомненный плюс для сравнительно тихоходных и тяжёлых автомобилей (джипов и грузовиков): гибкость рамы на скручивание повышает плавность хода. Но для быстроходных спортивных автомобилей - это явный минус. Излишняя податливость рамы может спровоцировать совершенно ненужный занос в повороте.
Значит, для таких автомобилей необходим объёмный силовой каркас, который сопротивляется скручиванию гораздо лучше плоской рамы. А что если заставить работать самый объёмный элемент автомобиля - кузов? Ведь можно незаметно встроить в стойки, крышу, пороги, днище кузова усиливающие элементы, превратив его таким образом в объёмную раму. А если всё как следует рассчитать и сделать эти усиливающие элементы достаточно тонкими и лёгкими, то можно ещё и выиграть в массе. Такой кузов будет весить значительно меньше, чем кузов рамного автомобиля в сборе с рамой. К тому же он представляет собой идеальную жёсткую "клетку", которая защищает водителя и пассажиров в случае аварии. Появился автомобиль с несущим кузовом.

Первый в мире автомобиль с несущим кузовом - Лянча Лямбда 1922 года.


Современный автомобиль с несущим кузовом




Трансмиссия.
Трансмиссия - это силовая передача. Представляет из себя набор механизмов, призванных передать механическую энергию вращения вала двигателя на ведущие колёса автомобиля.
На первых автомобилях передача крутящего момента от двигателя к колёсам осуществлялась цепью. Ничего удивительного - пример был взят, скорее всего, с велосипеда. Поэтому и ведущими колёсами сделали задние: передать вращение цепью на передние, управляемые колёса нереально.

Автомобиль с цепным приводом ведущих колёс


Но цепь, открытая всем ветрам, дождям и грязи, быстро изнашивалась и требовала частой замены. Требовался механизм с лучшей защитой от внешних воздействий. Идеальным представился вал с угловым редуктором, разводящим крутящий момент на колёса. Но возникла загвоздка - жёсткий вал никак не желал хорошо работать, соединяя редуктор и коробку передач. Возникали вибрации и чрезмерные нагрузки на агрегаты, кроме того вал мог стать той частью конструкции, которая определяет компоновку машины (взаимное расположение двигателя, рамы, мостов). Поэтому вал установили на шарнирах, позволявших передавать крутящий момент с изменением направления (кстати, конструкция шарниров была придумана ещё в 16-м веке итальянским математиком и инженером Джероламо Кардано).

Карданный шарнир в упрощённом виде


Далее. Как уже было сказано, ДВС, применяемый для привода колёс транспортного средства, требует редуктора с изменяемым передаточным числом. Основной вариант - коробка переключения передач (КПП), хотя существуют ещё несколько вариантов.
Наиболее распространена сейчас механическая КПП, в которой переключением передач заведует рука водителя. Она представляет собой набор шестерен как правило на двух валах (называемых первичным и вторичным). При зацеплении разных пар шестерен друг с другом включается та или иная передача. Изменение передаточного числа происходит ступенчато. Для плавного включения той или иной передачи и исключения поломки шестерен необходимо разъединять двигатель и КПП. Для этого служит муфта сцепления, управляемая, как правило, педалью.

Упрощённая схема трансмиссии автомобиля


Механическая коробка передач


Кроме механической существует автоматическая КПП. Она не требует вмешательства водителя в изменение передаточного отношения трансмиссии, не требует и муфты сцепления и соответственно педали её управления. Включает в себя несколько планетарных редукторов, отвечающих каждый за свою передачу и гидротрансформатор для плавного перехода с одной передачи на другую. Достоинства - свободные руки водителя. Такая КПП позволяет больше сосредоточиться на управлении автомобилем и дорожной ситуации. Недостатки - относительная дороговизна, немного меньшая долговечность, ограничение передаваемого крутящего момента (с такой КПП не рекомендуется долго буксовать или буксировать тяжёлый прицеп - КПП перегревается и выходит из строя), и самое главное - больший расход топлива (во время перехода с передачи на передачу гидротрансформатор пробуксовывает, обеспечивая плавность перехода, но при этом нагревает себя и коробку и требует дополнительного топлива).

Автоматическая КПП


В настоящее время существуют также автоматизированные механические КПП. Это обычные механические КПП, в которых переключениями передач и муфтой сцепления оперирует автоматика под управлением компьютера. Обладает всеми плюсами как механической, так и автоматической КПП, однако стоимость такой коробки пока достаточно высока.

Автоматизированная коробка передач Shiftmatic для легковых автомобилей Volkswagen. Зелёным цветом показана гидравлическая система, отвечающая за управление муфтой сцепления и переключением передач.



Вариатор

В настоящее время получает распространение вариатор - так называемая бесступенчатая коробка передач, в которой изменение крутящего момента происходит плавно и без разрыва потока мощности. Есть несколько вариантов его конструкции, но в автотранспорте наибольшее распространение получил один - клиноременный. Вот его принципиальная схема.

На ведущем и ведомом валах расположены диски, между которыми вращается клиновый ремень (ремень со скошенными боковыми стенками). Сами диски не плоские, одна из сторон каждого диска представляет собой плоский конус. Диски обращены этими конусами друг к другу, представляя из себя шкивы для клинового ремня. Но шкивы необычные. Диски способны сходиться вместе и расходиться, изменяя расстояние между собой. Что это даёт? Когда диски расходятся, клиновый ремень проваливается между ними, оказывается ближе к оси их вращения. Когда диски сходятся, они вытесняют ремень наверх, ближе к краям. Причём работают они в противофазе: когда на ведущем валу диски сходятся, на ведомом они расходятся и наоборот. Таким образом изменяется скорость вращения ремня и передаточное отношение редуктора. Например, если на ведущем валу диски разошлись, ремень на нём опустился вниз, ближе к оси (как на картинке). Ремень здесь идёт по малому радиусу вращения, скорость его невелика. Зато на ведомом валу диски сошлись, подняв ремень к периферии, пустив его по большому радиусу. В этом положении ведущий вал вращается быстрее ведомого. Если наоборот, на ведущем валу диски сошлись, а на ведомом разошлись, то ремень, поднявшись на ведущем, увеличил свою скорость, и опустившись на ведомом, увелчил скорость вращения его. Теперь уже ведомый вал вращается быстрее ведущего.
Вся эта система выглядит просто в теории, на практике же не всё так беспроблемно. Необходимо устройство, которое бы сводило и разводило диски на обоих валах синхронно, причём с достаточно большим усилием, оно также должно следить за постоянным натяжением ремня. Также необходима прецизионная (особо точная) обработка поверхностей дисков и ремня.

Так выглядит современный автомобильный вариатор. Ремень толкающий, металлический, набран из тонких пластин.


Достоинства вариатора очевидны: плавное, "троллейбусное" движение автомобиля, без толчков при смене передаточного отношения. Отсутствие разрывов потока мощности - тоже плюс, особенно для вседорожников - это лишний шанс не застрять в тяжёлом грунте.
Кроме того, вариатор позволяет добиться работы двигателя на постоянных оборотах при разгоне - это выгодно как для экономии топлива так и в экологическом плане.
Недостатки. Начнём с того, что вариатор - это по сути фрикционный редуктор - устройство, передающее крутящий момент посредством сил трения (между ремнём и дисками). А это значит, что он не способен передавать большой момент (буксовать будет), а значит может работать лишь на лёгкой технике - скутерах и легковых автомобилях малого класса. Увы, но вседорожники пока отдыхают. Точная механика означает высокую стоимость устройства. Кроме того, современные вариаторы не обладают тем диапазоном изменения передаточного отношения, который необходим автомобилю, а это значит, что их (вариаторы) всё же приходится дополнять простенькими двух-трёхступенчатыми коробками передач (скорее всего, автоматизированными).

Электротрансмиссия.
Электротнансмиссия или электрическая силовая передача - также вариант бесступенчатой трансмиссии. В этом варианте двигатель внутреннего сгорания механически не связан с колёсами транспортного средства, а крутит лишь генератор, вырабатывающий электрический ток. Колёса же приводятся в движение электродвигателями, этот самый ток потребляющими. Главный минус этой системы - большие потери энергии при преобразовании из механической в электрическую и обратно. Потери эти могут достигать 20-30%, что по сравнению с непосредственной жёсткой механической передачей (0,5 - 1%) очень много. Поэтому данная система применяется лишь там, где это оправдано из экономических, компоновочных или каких-либо других соображений. Главная сфера применения электротрансмиссии - тяжёлая и очень тяжёлая техника: тепловозы, карьерные самосвалы грузоподъёмностью 200 тонн и более и многоосные специальные шасси.

12-осный МАЗ 7907 грузоподъёмностью 100 тонн, обладающий электротрансмиссией и мотор-колёсами. Можно только представить, какое количество карданных валов, редукторов и блокируемых дифференциалов понадобилось бы в случае использования на нём механической трансмиссии.


Гидравлическая трансмиссия.
Конструктивно аналогична электротрансмиссии, только вместо генератора - гидравлический насос высокого давления, вместо электрических двигателей на колёсах - гидромоторы, вместо электропроводов - гидравлические трубки. Применяется главным образом там, где не нужна высокая скорость, но важна простота управления и повышенная вездеходность транспортного средства. Это разнообразная дорожная, строительная и специальная техника. На этой технике, помимо всего перечисленного, гидросистема присутствует в любом случае - для привода рабочих органов.

Примеры техники, оснащаемой гидротрансмиссией.

Асфальтовый каток. Сочленённая конструкция ("ломающаяся" рама) создаёт дополнительные трудности для использования механической трансмиссии, кроме того, механический привод вальцов увеличит габаритную ширину машины, что для неё достаточно актуально. Кроме того, современные катки оснащаются системой автоматического переключения привода при смене направления движения - всегда тянет тот валец, что впереди (для улучшения качества асфальтового покрытия). Всё это намного удобнее осуществить, применив гидротрансмиссию. Гидромоторы располагаются внутри вальцов.


Харвестер. Машина для обработки деревьев (спиливания, удаления сучков, распиливания стволов на брёвна заданной длины), применяемая в лесной промышленности. Часто также оснащается "ломающейся" рамой и многоосным шасси.


Грейдер. У этой машины не так-то просто провести механический привод к переднему мосту - уж очень хитрой формы у него рама.


Экскаватор-погрузчик. Большинство этих машин сейчас делаются полноприводными и полноповоротными (со всеми управляемыми колёсами). Гидропривод в этих условиях более предпочтителен, чем механическая трансмиссия.



Подвеска.
Подвеска автомобиля - это комплекс устройств и механизмов, предназначенный для смягчения толчков и рывков от колёс, передаваемых кузову и обеспечения плавности езды. При характеристике подвески обычно используются термины "подрессоренные массы" и "неподрессоренные".
Неподрессоренные массы - это детали автомобиля, находящиеся между подвеской и дорогой (колёса, мосты, тормозные механизмы и т.п.), масса которых распределяется исключительно на дорогу.
Подрессоренные массы - это те детали автомобиля, которые "держит" на себе его подвеска - рама, кузов, двигатель, пассажиры, груз, то есть все те детали, которые не входят в неподрессоренные массы.
Чем больше отношение подрессоренных масс к неподрессоренным (чем тяжелее машина и чем легче её колёса), тем более плавным становится движение машины по дороге.
По конструкции подвески бывают двух видов: зависимые и независимые.
В зависимой подвеске колёса одной оси жёстко соединены друг с другом балкой моста. Достоинства этой подвески - простота конструкции, прочность, дешевизна и неизменность дорожного просвета на любых ухабах (что является достоинством с точки зрения вездеходности автомобиля). Недостаток её - очень большая неподрессоренная масса (тяжёлый жёсткий мост, дополнительно утяжелённый редуктором и валами привода, если мост ведущий), в результате - сильное влияние этой самой массы на поведение автомобиля на дорогах. Эта подвеска применяется в настоящее время на грузовиках и автобусах (где простота, надёжность и большой ресурс выходят на первый план, а большой неподрессоренной массе противостоит ещё большая подрессоренная) и на джипах и полноприводных пикапах (где постоянный дорожный просвет, а значит и проходимость важнее скорости).
В независимой подвеске колёса одной оси друг с другом жёстко не соединены, каждое из них крепится к кузову или раме своими собственными рычагами и тягами. Достоинства этой конструкции - лёгкость, малые неподрессоренные массы (отсутствует тяжёлая жёсткая балка моста), большая плавность хода, обеспеченная не только малыми неподрессоренными массами, но и особенностями конструкции. Недостатки - сложность, дороговизна (большое количество различных шарниров), необходимость усложнения конструкции приводов колёс.
Детали любой подвески можно разделить на две категории: упругие элементы (рессоры, пружины и т.д.) и детали крепления колёс к машине (тяги, рычаги).

Первые подвески, как уже было сказано выше, появились ещё до появления автомобиля - на каретах и дилижансах. Были они зависимыми рессорными. Рессора сочетает в себе одновременно упругий элемент и элемент крепления моста к раме, поэтому конструкция рессорной подвески максимально проста.

Рессорная подвеска автомобиля


Постепенно скорости автомобилей возрастали, вместе с ними возрастали и требования к плавности хода. Рессоры решили заменить на более мягкие упругие элементы - пружины. Вместе с достоинством пружин появился и недостаток - они требуют для себя место, которое приходится выкраивать в кузове. К тому же пружины уже не держат мост так же жёстко, как рессоры - значит, необходимо вводить в конструкцию подвески рычаги, препятствующие смещению моста в продольном и поперечном направлении, а также его вращению вокруг своей оси. Такая подвеска сейчас встречается, например, на некоторых новых УАЗах и в задних мостах "классических" Жигулей.

Задняя пружинная зависимая подвеска ВАЗ 2107.


Следующий этап развития - независимая подвеска. Первое, что приходит на ум конструктору - параллелограммный механизм на двух поперечных рычагах.


Такой можно увидеть в передней подвеске тех же Жигулей. Или, чуть более продвинутый - у Хаммера Н1.



Дальнейшее развитие - подвеска типа МакФерсон. Из подвески с поперечными рычагами убрали верхний рычаг ради уменьшения массы - его роль теперь играет шарнир в верхней точке пружинно-амортизаторной стойки. Передней подвеской такого типа сейчас оборудовано подавляющее большинство легковых автомобилей.


В автомобилях бизнес-класса получила распространение многорычажная независимая задняя подвеска с эффектом подруливания задних колёс. Рычаги расположены таким образом, что при изменении нагрузки на подвеску (крен машины в повороте) они слегка поворачивают своё колесо в продольной плоскости в сторону поворота, тем самым уменьшая риск заноса машины.


А в бюджетных (более дешёвых) автомобилях, имеющих переднеприводную компоновку, задняя подвеска часто представляет собой простую конструкцию, которую можно назвать "полунезависимой": продольные рычаги подвески крепятся к общей поперечной балке, работающей на скручивание, и частично выполняющей роль упругого элемента. Конструкция лёгкая и достаточно эффективная в работе.


Как видно, все последние варианты подвески - с пружинами в роли упругих элементов. Но пружины - далеко не единственный вариант. Существуют также торсионные подвески, где в качестве упругого элемента применяется стальной прут, работающий на скручивание.


Эти подвески отличаются сравнительной простотой, компактностью и отличной энергоёмкостью. Два последних пункта определили их применение в тяжёлой военной технике.

Торсионная подвеска танка


Независимая торсионная подвеска "ракетовоза" МАЗ 7310


В качестве упругих элементов используют также пневматические баллоны. По форме и габаритам они приблизительно соответствуют пружинам. Их большое достоинство - жёсткость подвески или даже высоту кузова над дорогой можно регулировать, накачивая или стравливая воздух из пневмобаллонов. Недостаток, как всегда - относительная дороговизна. Ведь эта подвеска требует для своей работы компрессор, пневматические трубопроводы высокого давления и систему управления, в которой сочетается электроника и пневматика. Применяется такая подвеска в дорогих вседорожниках и тяжёлых магистральных грузовиках.

Пневматическая подвеска грузовика MAN.


Пневматическая подвеска Volkswagen Tuareg.