Основы конструкции и содержании автомобиля. Истории создании. Классификации и общая конструкция. Двигатель внутреннего сгорания

основы КОНСТРУКЦИИ И СОДЕРЖАНИЯ АВТОМОБИЛЯ

ИСТОРИЯ СОЗДАНИЯ.
КЛАССИФИКАЦИЯ И ОБЩАЯ КОНСТРУКЦИЯ. ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Учебное пособие















Москва Вологда
« Инфра-Инженерия» 2023

УДК 629.113
ББК 39.3
     0-75

Авторы:
Болштянский А. П., Щерба В. Е., Лысенко Е. А., Тегжанов А. С.

Рецензенты:
д. т. н., проф., проф. кафедры теплоэнергетики Омского государственного университета путей сообщения В. Р. Ведрученко;
к.     т. н., полковник, нач. кафедры боевых гусеничных, колесных машин и военных автомобилей Омского автобронетанкового инженерного института
Т. А. Ивахненко


0-75      Основы конструкции и содержания автомобиля. История со-
     здания. Классификация и общая конструкция. Двигатель внутреннего сгорания : учебное пособие / [Болштянский А. П. и др.]. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. - 292 с. : ил., табл.
          ISBN 978-5-9729-1408-1

          Показано устройство автотранспортных средств, работа их основных систем, агрегатов и узлов, основы содержания автомобилей их владельцами. Приведена история развития, классификация и роль автотранспорта в современной жизнедеятельности человека, устройство автомобиля в целом. Рассмотрены термодинамические основы и рабочие циклы транспортных двигателей. Подробно освещено устройство поршневых двигателей внутреннего сгорания их агрегатов и механизмов.
          Для студентов, обучающихся по направлению подготовки 23.03.03 «Эксплуатация транспортно-технологических машин и комплексов».

УДК 629.113
ББК 39.3








ISBN 978-5-9729-1408-1

   © Издательство «Инфра-Инженерия», 2023
   © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023

ПРЕДИСЛОВИЕ


    Первая версия данной книги вышла в 2005 году под названием «Основы конструкции автомобиля» и содержала описание узлов и агрегатов автомобилей, актуальное для того времени и предназначенное для обучения специалистов в области автосервиса в рамках дисциплины «Конструкция и потребительские свойства автомобилей».
    За прошедшие с той поры годы в автомобилестроении произошли значительные перемены, связанные как с совершенством материалов и технологий, так и с широким внедрением в автомобиль средств электроники и вычислительной техники, средств пассивной безопасности водителя и пассажиров, с повышением экологических и эргономических требований, предъявляемых к автомобилю и др.
    Претерпел существенные изменения и учебный процесс получения высшего образования в вузах страны, в результате которого он сократился с пяти лет до четырех.
    Эти обстоятельства потребовали переработать содержание книги в направлении, как актуализации содержания учебного курса, так и в соответствии с новыми образовательными стандартами. С учетом опыта преподавания увеличено количество иллюстраций, позволяющих учащимся лучше сопоставить описание объекта с его реальным изображением.
    Предполагается, что книга выйдет в трех томах, данное издание представляет собой первую часть, которая содержит пять разделов.
    В первых четырех разделах показана роль автомобиля в современной жизнедеятельности, описаны краткая история развития отрасли, общие принципы устройства автомобиля, приведена классификация подвижного состава.
    Весь пятый раздел посвящен двигателю автомобиля. Он начинается с описания основных термодинамических процессов, происходящих в тепловых двигателях, что позволяет перейти затем к рассмотрению различных циклов двигателей транспортных машин.
    В этом же разделе подробно описываются основные системы двигателей внутреннего сгорания (топливопитания, смазки, охлаждения, наддува, газораспределения) и конструкция некоторых наиболее важных с точки зрения функционирования ДВС деталей и узлов.
    Все разделы заканчиваются контрольными вопросами, которые преследуют две цели: организация самоконтроля студентов при проверке усвоения темы и концентрация их внимания на наиболее важных аспектах пройденного материала.
    Кроме того, эти вопросы могут быть использованы преподавателем для составления билетов при проведении зачетов или экзаменов.
    В остальных двух томах будет дано описание систем зажигания, подвески, рулевого управления, тормозной системы, электрооборудования, пневмоснабжения систем автотранспорта и основам его содержания.
    В книге широко использованы материалы, опубликованные в Интернете, и находящиеся в свободном доступе.

3

1.   РОЛЬ АВТОМОБИЛЯ В СОВРЕМЕННОЙ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ ЧЕЛОВЕКА
    Достаточно динамичное развитие человечества как единственного разумного представителя земной цивилизации началось около 10-20 тысяч лет назад, когда человеком были изобретены простейшие виды машин-орудий: ветряная мельница, водяное колесо, рычажные и метательные устройства и т. д.
    В то же время, на протяжении практически всего периода существования у человека имелась необходимость перемещать как самого себя, так и различные грузы - камни и стволы деревьев для строительства, убитые крупные животные, различная домашняя утварь и продукты питания при вынужденных перемещениях жилища. В значительной степени эти операции осуществлялись непосредственно человеком, на спине прирученных животных или волоком по земле.
    Считается, что прообразом колеса, возможно, стали катки, которые подкладывались под тяжелые стволы деревьев и камни при их перетаскивании с места на место.
    Возможно, тогда же были сделаны первые наблюдения над свойствами вращающихся тел. Например, если бревно-каток по какой-то причине в центре было тоньше, чем по краям, оно передвигалось под грузом более равномерно и его не заносило в сторону. Заметив это, люди стали умышленно обжигать катки таким образом, что средняя часть становилась тоньше, а боковые оставались неизменными.
    Таким образом, получилось приспособление, которое теперь называется «скатом». В ходе дальнейших усовершенствований в этом направлении от цельного бревна остались только два валика на его концах, а между ними появилась ось.
    Археологические находки, в числе которых были и первые колеса, которые находили вместе со скелетами вьючных животных, относятся к бронзовому веку - 3500-4000 лет до н. э. В те времена наиболее высокий уровень развития был у племен древних шумеров, которые обитали на территории Месопотамии. По мнению историков, первое колесо было изобретено именно там (рис. 1.1).
    Изобретение колеса - одно из самых замечательных изобретений человечества, с которым во многом связано развитие нашей цивилизации. По существу почти все современные механические устройства имеют в своем составе либо элементы колеса, либо его оси, либо поверхность, образованную при вращении образующей вокруг оси.

4

Рис. 1.1. Изображение колеса, найденное при раскопках на территории Месопотамии (http://www.letopis.info/themes/auto/istorija_kolesa.html)

     Первоначально причина перемещения человека, по всей видимости, мало отличалась от передвижений собратьев по виду: добыча растительного и животного корма, смена ареала обитания при истощении природных ресурсов. Для этих целей вполне достаточно было использование собственных нижних конечностей, а затем и прирученных животных. Но с течением времени развитие человечества стало приобретать все более техногенный характер. Сейчас трудно судить о том, почему именно так произошло. Почему развитие человеческого общества пошло по пути механизации труда, замены мускульной силы механическими устройствами, а не по пути биологического развития - т. е., например, выращивания мощных, крупных, легко приручаемых животных и птиц? Хотя, как известно, например, в Индии, человек все же использовал слонов для перемещения как людей и крупных грузов, так и при производстве строительных работ. И это обстоятельство могло послужить примером для других народов.
     Скорее всего, отказ от пути биологического развития цивилизации связан с весьма и весьма ограниченными биоресурсами нашей планеты. При попытке создания биологических помощников человек сразу сталкивается с необходимостью постоянного поддержания их минимального уровня жизни - т. е. с необходимостью прокормить животное, которое в таком случае становится конкурентом собственно человеку (или самому поесть, или накормить биоробота?). В то же время еще в недавнем прошлом минеральные богатства планеты, используемые при строительстве «механических заместителей» человека, казались неисчерпаемыми.
     Кроме того, техногенному развитию способствовала и конкурентная борьба между отдельными сообществами за наиболее выгодный ареал обитания и жизненно важные ресурсы. Эта борьба часто превращалась в

5

кровопролитные войны, успешное ведение которых требовало быстрого перемещения боевых ресурсов.
     Необходимости ускорения перемещения различных грузов и людей способствовали и экономические принципы существования человека -чем быстрее перевозится груз, тем быстрее обращается капитал, тем больше прибыль. Чем быстрее перемещается информация или деловые бумаги, тем скорее принимаются решения, быстрее осуществляются события, тем снова быстрее появляется прибыль. Т. е. погоня за прибылью, основным компонентом экономического развития современного общества, требует ускорения транспортных операций различного назначения. Это обстоятельство является основным параметром, определяющим развитие транспорта в современном обществе.
     Другим важным компонентом развития транспорта является перемещение людей и грузов при обеспечении сферы отдыха. Ну и, конечно, транспортные операции широко используются в сфере безопасности жизнедеятельности и при выполнении боевых задач.
     Весь транспорт можно разделить по способу передвижения на наземный (в т. ч. подземный), водный и воздушный.
     Наземный транспорт делится на мускульный (велосипеды, тележки), автомобильный и железнодорожный, водный - на морской и речной, воздушный - на машины с подъемной силой, создаваемой за счет горизонтального движения (самолеты), за счет вращения винтов (вертолеты и квадрокоптеры) и за счет применения газов легче воздуха (аэростатические летательные аппараты или дирижабли).
     В свою очередь водный транспорт делится по способу перемещения на надводный и подводный, надводный - на мускульный, парусный и транспорт с механическим приводом - двигателями внутреннего сгорания и электродвигателями. Железнодорожный - по используемым тяговым двигателям - на паровозы, тепловозы и электровозы. Автомобильный - по конструктивному исполнению на легковой, грузовой, автобусы, машины специального назначения. Промежуточным между велосипедным и автомобильным видами транспорта являются мотовелосипеды, мотоциклы, мотороллеры (скутеры). Особое место занимает гусеничная техника, которая используется как в виде машин-орудий (например, тракторы, бульдозеры), так и для перемещения грузов и людей (болотоходы, боевые машины пехоты и др.). Эту технику можно отнести к разряду «специальная».
     При общем понимании понятия «транспорт» сюда следует отнести системы коммуникации (проводные и беспроводные, спутниковые и т. д.), трубопроводный транспорт (водо-, нефте-, газопроводы), космический транспорт.
     Схема основных видов транспорта приведена на рис. 1.2.
    Для каждого вида транспорта существует наиболее предпочтительные условия применения. Конечно, невозможно использовать автомобильный транспорт при движении по воде, а водный при движении по суше, хотя и имеются специальные виды транспорта, которые могут в определенной степени совмещать в себе свойства, по крайней мере, двух типов. Это автомобили-


6

амфибии, суда на воздушной подушке, гидропланы. Однако, в любом случае для таких аппаратов основной является все-таки только одна среда, в которой они работают. Так, например, автомобиль-амфибия предназначен в основном для движения по суше, а его свойство перемещаться по воде используется только для преодоления водных препятствий. Гидроплан в основном летает по воздуху, а воду использует только как площадку для посадки и взлета.


Рис. 1.2. Основные виды транспорта

    Кроме того, для каждого типа транспорта имеются оптимальные условия эксплуатации, исходя из минимальных затрат на перемещение груза с учетом наиболее выгодной скорости его доставки потребителю, а также с учетом принципиальной возможности использования. Так, например, если нужно срочно доставить врача к больному, находящемуся в местности, где вообще нет дорог и посадочных площадок для самолета, то будет использоваться вертолет, эксплуатация которого в десятки раз дороже, чем затраты на автомобиль. В то же время, если нужно доставить потребителю 20 т угля, то выгоднее использовать автомобиль, а 2000 т угля - железнодорожный транспорт при наличии железной дороги.
    В последние годы наиболее развитые страны стремятся сократить автомобильные перевозки в связи с тем, что даже самый современный автомобиль представляет принципиально большую опасность для человека и окружающей среды, чем электрифицированный железнодорожный транспорт. Основным препятствием в данном случае является отсутствие достаточно развитой сети внутригородских подъездных путей и терминалов для разгрузки, специализи

7

рованных видов электровозов, а также высокопроизводительных систем сортировки грузов.
    Многие страны пытаются возобновить перевозки людей и грузов с применением аэростатических аппаратов - дирижаблей, не требующих дорог, и имеющих по сравнению с автомобилями, самолетами и вертолетами более высокие экологические и экономические показатели.
    В еще не таком далеком прошлом (30-40-е годы прошлого столетия) с помощью дирижаблей перевозились грузы весом до 120 т на расстояния до 15 000 км со скоростью 135 км/час. Дирижабли и сегодня широко используются в США и Великобритании для патрулирования морских границ.

Основные проблемы автотранспорта

    Каждый вид транспорта имеет свои достоинства и недостатки, но главным общим недостатком становится низкая скорость передвижения в городских условиях 20-40 км/час, а в часы пик - 5-10 км/ч, опасность и вредность транспорта для самих же пассажиров.
    При этом, если учитывать задержку на поиск парковки, и удаленность парковки от конечного пункта назначения, средняя скорость водителя автомобиля «от двери до двери» будет еще ниже.
    Необходимость ручного управления автотранспортом, непредсказуемость дорог создает повышенную опасность всем участникам движения. Управление вручную, у опытных водителей и самоуверенных людей создает иллюзию контроля ситуации на дороге, но часто авария происходит по причинам, не зависящим от водителей, например, - ошибки других участников движения, ошибки технического обслуживающего персонала, или непредсказуемые неисправности машины, дорожного полотна, случайные предметы на дорогах и т. п.
    За последние 10 лет на дорогах России зарегистрировано около 2 млн дорожно-транспортных происшествий, в результате которых погибло более 350 тыс. человек и ранено более 2 млн человек.
    Следует заметить, что многочасовые поездки сами по себе не так безобидны. Потеря нескольких часов в день - это не только абстрактное снижение производительности труда, но и совершенно ненужная перегрузка, ложащаяся на организм человека. Восьмичасовой рабочий день не учитывает дополнительного времени на дорогу. Вместо отдыха человек тратит силы на транспорт. Особенно это актуально в наше время, когда свободного времени у человека практически не осталось.
    Если учесть что продолжительность жизни человека в России составляет около 60-70-ти лет, из которых значительная часть уходит на обучение (15-20 лет), работу (8 часов в день), сон (8 часов в день), бытовые нужды (2-3 часа в день), то из оставшегося «свободного» времени большая часть уходит именно на дорогу (1-2 часа в день), а с этим временем уходит и потенциальная возможность укрепить свое здоровье, заняться повышением

8

профессионального уровня, - современные технологии этому просто обязывают.
    Таким образом, транспорт оказывается узким местом для развития всех, особенно высокотехнологичных отраслей промышленности, и та страна, которая первой решит эту проблему может оказаться лидером в XXI веке.
    Транспорту, безусловно, уделяется много внимания, но результаты этого невысоки во всех странах.
    Несмотря на то что цены на автотранспорт относительно невысоки, затраты на поддержание дорожной инфраструктуры ложатся тяжелым бременем на экономику, повышаются налоги, подавляющие экономический рост, повышается цена на недвижимость, стоимость обучения и т. п. В России укладка одного квадратного метра дорожного полотна стоит $10-15, средний срок эксплуатации полотна от одного до трех лет. Отдельные дороги обходятся еще дороже.
    Несмотря на широкое распространение, общественный транспорт так же обладает массой недостатков:
    -  необходимость ожидания ТС пассажирами;
    -      замедление передвижения из-за частых остановок транспорта, форма маршрута далека от прямой линии:
    -  удаленность остановок от конечного пункта назначения;
    -  негибкость транспорта, ограниченное число маршрутов и остановок;
    -  необходимость учета расписания движения ТС;
    -  необходимость в пересадках на несколько маршрутов движения;
    -      некомфортные условия для пассажиров, особенно при перегрузке ТС в часы пик.
    Из-за тесных условий общественного транспорта становится возможным распространение эпидемий, заразных, инфекционных болезней, значительная часть из которых вообще неизлечима. В отличие от офисов, квартир в общественном транспорте собираются совершенно случайные люди, избежать контакта с которыми почти невозможно.
     Основными направлениями совершенствования автомобилей в настоящее время являются:
    1. Повышение безопасности и маневренности движения.
    2.      Снижение расхода горючего и токсичности отработанных газов, в том числе за счет использования электрической тяги.
    3.      Снижение шумности, материалоемкости, веса, повышение удельной мощности двигателя, повышение ресурса работы агрегатов.
    4.  Повышение комфорта для водителя и пассажиров.
    5.  Удешевление производства автомобиля.
     Основные мероприятия, за счет которых производится усовершенствование:
    1.      Улучшение обзора, свойств тормозных систем и внутренних систем безопасности.

9

    2.     Применение компьютерных систем регулировки расхода топлива, совершенствование его состава, использование активных фильтров для выхлопных газов.
    3.     Применение пластмасс и композиционных материалов и сплавов, прогрессивных смазок и консервантов, повышение качества изготовления наиболее нагруженных деталей и узлов.
    4.     Компьютерные системы моделирования поведения автомобиля на дороге, водителя и пассажиров.
    5.    Повышение многофункциональности каждой модели.


Контрольные вопросы к разделу 1

    1. Каковы причины появления механического транспорта?
    2. Перечислите основные виды транспорта.
    3. Какие недостатки имеет автомобильный транспорт?
    4.  Какие недостатки имеет общественный транспорт?
    5.     Перечислите основные направления совершенствования автомобильного транспорта.
    6. За счет чего может быть повышена безопасность движения?
    7.     Каким образом достигается снижение расхода топлива и токсичность выхлопных газов?


10