Страница:
Таково было положение дел, когда в начале 90-х годов за создание «идеального двигателя» взялся молодой немецкий инженер Рудольф Дизель. Еще будучи студентом, он поставил перед собой цель разработать такой мотор, показатели которого были бы близки к «циклу Карно», причем этот двигатель должен был превосходить обычный бензиновый как по мощности, так и по экономичности.
После нескольких лет упорной работы проект двигателя был разработан. Суть идеи Дизеля сводилась к следующему. На первом этапе поршень сжимал воздух в цилиндре до высокого давления, за счет чего температура в цилиндре повышается до температуры воспламенения горючего (это соответствовало четвертому циклу Карно — сжатию без отвода тепла). Таким образом, в цилиндре достигалось давление порядка 90 атм и температура около 900 градусов. Горючее подавалось в цилиндр в конце цикла сжатия и вследствие высокой температуры воздуха воспламенялось от одного соприкосновения с ним без всякого внешнего зажигания. Нагнетание горючего осуществлялось равномерно, так что часть обратного движения поршня и расширение газов происходили при постоянной температуре (в соответствии с первым «циклом Карно»). Далее поршень двигался уже под влиянием высокого давления без горения топлива (второй «цикл Карно»). Третьему циклу соответствовали выхлоп и всасывание свежей порции атмосферного воздуха. Затем все циклы повторялись. Благодаря такому устройству Дизель думал повысить КПД своего мотора до неслыханной величины — 73%. Поначалу в качестве горючего он рассчитывал применить пары аммиака, но потом остановил свой выбор на угольном порошке. В 1892 году Дизель получил патент на описанный принцип работы двигателя, а в 1893 году выпустил брошюру «Теория и конструкция рационального теплового двигателя» с описанием мотора и своими математическими выкладками.
Брошюра привлекла к себе большое внимание. Впрочем, большинство инженеров считало идею Дизеля несбыточной. Крупнейший специалист по газовым двигателям того времени Келер предупреждал, что получить такой высокий КПД невозможно, поскольку в двигателе Дизеля очень высоки потери мощности на сжатие воздуха до температуры воспламенения, и при работе по «циклу Карно» вся полезная работа будет расходоваться только на поддержание его собственного движения. Тем не менее Дизель стал настойчиво предлагать свою модель различным немецким фирмам. Поначалу он повсеместно встречал отказ. Не отчаиваясь, он продолжал переписку, спорил, доказывал и наконец добился успеха: фирма Круппа в Эссене согласилась финансировать расходы, а руководство Аугсбургского завода — изготовить пробный образец.
Уже в июле 1893 года был изготовлен первый одноцилиндровый двигатель Дизеля. В соответствии с первоначальным проектом, сжатие в его цилиндре должно было достигать 90 атм, а температура перед началом впуска горючего — 900 градусов. Поскольку температура не должна была сильно превышать этот предел, никакой системы охлаждения для мотора не предусматривалось. Компрессор также не планировался — угольный порошок предполагалось вдувать насосом.
Но еще на стадии сборки Дизель, проверив свои расчеты, убедился, что Келер прав — затраты мощности двигателя на сжатие воздуха до 90 атмосфер оказались чрезмерно велики и «съедали» весь выигрыш в КПД за счет работы по «циклу Карно». Пришлось прямо на ходу переделывать задуманное. Чтобы снизить потери мощности на сжатие, Дизель решил уменьшить давление в цилиндре более чем вдвое — до 35-40 атм. В связи с этим температура сжатого воздуха вместо 900 градусов должна была составлять всего 600. Это было очень мало — разность температур в формуле Карно оказывалась слишком незначительной для получения высокого КПД. Чтобы поправить дело и повысить мощность мотора, Дизелю пришлось отказаться и от второго важного момента своей конструкции — расширения рабочего тела при постоянной температуре. Он рассчитал, что температура при сгорании топлива должна возрастать до 1500 градусов. А это, в свою очередь, требовало, во-первых, самого интенсивного охлаждения мотора, а во-вторых, более калорийного горючего. Угольная пыль не могла дать такой высокой температуры, поэтому Дизель был принужден обратиться к жидкому топливу. Но при первой же попытке впрыснуть в цилиндр бензин, произошел взрыв, едва не унесший жизни изобретателя и его помощников.
Так закончилось первое испытание. Оно имело двоякий результат. Дизелю пришлось шаг за шагом довольно сильно отступить от первоначальной схемы своего «идеального мотора». Но, с другой стороны, некоторые принципиальные моменты его расчетов подтвердились — сильное сжатие рабочей смеси вело к повышению КПД и, кроме того (взрыв доказал это), оказалось, что топливо действительно можно воспламенять путем сжатия, не прибегая к дорогостоящей системе зажигания. Поэтому фирмы, финансировавшие проект, остались в целом удовлетворены достигнутым успехом, и Дизель получил возможность продолжать свои эксперименты.
В июне 1894 году был построен второй двигатель, для которого Дизель придумал форсунку, управлявшую впрыском керосина. В этой модели давление в цилиндре доводилось до 35-40 атм, а температура в конце сжатия — до 500-600 градусов. Мотор не только удалось запустить, но и заставить работать на холостом ходу с частотой до 80 оборотов в минуту. Это был большой успех — идея Дизеля оказалась жизнеспособной. В 1895 году был построен третий двигатель, который мог уже работать с небольшой нагрузкой. Для впрыскивания керосина здесь впервые был предусмотрен компрессор. Кроме того, пришлось разработать систему интенсивного охлаждения, чтобы предотвратить заклинивание цилиндра. Только после этого в 1896 году запуск нового опытного образца принес успех. При испытании с нагрузкой КПД мотора оказался 36%, а расход керосина составил около 200 г на лошадиную силу в час. Хотя эти показатели и были очень далеки от параметров «идеального мотора», они все же впечатляли: КПД нового двигателя оказался на 10-12% выше, чем у бензиновых двигателей того времени, а по своей экономичности он превосходил их почти в два раза. Пусть Дизелю не удалось исполнить свою мечту, все же сделанное им имело огромное значение — благодаря его настойчивости была разработана принципиально новая конструкция двигателя внутреннего сгорания, которая была и остается лучшей на протяжении ста последних лет.
Работал новый мотор следующим образом. При первом ходе поршня за счет живой силы маховика, запасенного за предыдущую работу машины, воздух всасывался внутрь цилиндра. Во время второго хода, совершаемого также за счет живой силы маховика, запертый в цилиндре воздух сжимался до 35 атм. При этом теплота, выделявшаяся при сжатии, доводила его до температуры воспламенения горючего. В начале третьего хода при помощи насоса вводился керосин. Это впрыскивание продолжалось лишь незначительную часть хода. В течение остальной части хода газовая масса расширялась, и поршню сообщалась рабочая сила, которая и передавалась через шатун коленчатому валу двигателя. При четвертом ходе продукты сгорания извергались через выхлопную трубу в атмосферу.
Двигатель был снабжен компрессором, который в особом резервуаре сгущал воздух при давлении, несколько превышавшем самое высокое давление в цилиндре. Из этого резервуара воздух через трубку очень незначительного диаметра направлялся в маленькую камеру форсунки, то есть аппарата для распыления подаваемого горючего, куда одновременно подавался керосин. Эта камера сообщалась с внутренностью цилиндра при помощи маленького отверстия, запираемого иглой: когда эта игла приподнималась, керосин вгонялся в цилиндр благодаря избытку давления в камере. Горение в цилиндре регулировалось, смотря по силе, которую должен был развить двигатель, либо изменением продолжительности впуска горючего, либо изменением давления в компрессоре. Этот же сжатый воздух употреблялся и для начального пуска двигателя из холодного состояния. Наверху двигателя помещался распределительный вал с пятью кулачками один управлял клапаном, впускавшим воздух, другой — клапаном, впускавшим керосин, третий — клапаном, выпускавшим продукты сгорания. Два последних кулачка управляли клапанами, при помощи которых впускался сжатый воздух в цилиндр при первоначальном пуске двигателя.
Первые же официальные испытания нового двигателя произвели настоящую сенсацию среди инженеров. С этого времени началось победное шествие «дизелей» по всему миру. Многие фирмы, которые прежде не откликнулись на предложение Дизеля, спешили купить у него право строить изобретенные им моторы, и это право обходилось им теперь недешево (например, Эммануил Нобель, желая наладить производство дизелей в России, заплатил Дизелю около 500 тысяч долларов). Уже в 1898 году Дизель, совершенно неожиданно для себя, сделался миллионером. Впрочем, первые двигатели, пущенные в серийное производство, оказались неудовлетворительными, капризными и часто выходили из строя. Выпуск такой сложной и высокотехнологичной машины оказался не под силу многим заводам с устаревшим оборудованием. Как в свое время Уатту, Дизелю пришлось потратить много сил на то, чтобы довести до совершенства производственный процесс изготовления дизелей — разработать новые станки, найти подходящие сплавы, подготовить специалистов. В течение нескольких лет он кочевал по Европе и Америке, посещая заводы, на которых шло производство его моторов. К началу XX века основные трудности были преодолены, и дизели стали постепенно завоевывать все новые и новые сферы применения в промышленности и транспорте. В 1900 году на Всемирной выставке в Париже двигатели Дизеля получили гран при. Особенно подняло престиж новых моторов известие о том, что завод Нобеля в России наладил выпуск очень неплохих двигателей, работавших на сырой нефти.
67. АВТОМОБИЛЬ
После нескольких лет упорной работы проект двигателя был разработан. Суть идеи Дизеля сводилась к следующему. На первом этапе поршень сжимал воздух в цилиндре до высокого давления, за счет чего температура в цилиндре повышается до температуры воспламенения горючего (это соответствовало четвертому циклу Карно — сжатию без отвода тепла). Таким образом, в цилиндре достигалось давление порядка 90 атм и температура около 900 градусов. Горючее подавалось в цилиндр в конце цикла сжатия и вследствие высокой температуры воздуха воспламенялось от одного соприкосновения с ним без всякого внешнего зажигания. Нагнетание горючего осуществлялось равномерно, так что часть обратного движения поршня и расширение газов происходили при постоянной температуре (в соответствии с первым «циклом Карно»). Далее поршень двигался уже под влиянием высокого давления без горения топлива (второй «цикл Карно»). Третьему циклу соответствовали выхлоп и всасывание свежей порции атмосферного воздуха. Затем все циклы повторялись. Благодаря такому устройству Дизель думал повысить КПД своего мотора до неслыханной величины — 73%. Поначалу в качестве горючего он рассчитывал применить пары аммиака, но потом остановил свой выбор на угольном порошке. В 1892 году Дизель получил патент на описанный принцип работы двигателя, а в 1893 году выпустил брошюру «Теория и конструкция рационального теплового двигателя» с описанием мотора и своими математическими выкладками.
Брошюра привлекла к себе большое внимание. Впрочем, большинство инженеров считало идею Дизеля несбыточной. Крупнейший специалист по газовым двигателям того времени Келер предупреждал, что получить такой высокий КПД невозможно, поскольку в двигателе Дизеля очень высоки потери мощности на сжатие воздуха до температуры воспламенения, и при работе по «циклу Карно» вся полезная работа будет расходоваться только на поддержание его собственного движения. Тем не менее Дизель стал настойчиво предлагать свою модель различным немецким фирмам. Поначалу он повсеместно встречал отказ. Не отчаиваясь, он продолжал переписку, спорил, доказывал и наконец добился успеха: фирма Круппа в Эссене согласилась финансировать расходы, а руководство Аугсбургского завода — изготовить пробный образец.
Уже в июле 1893 года был изготовлен первый одноцилиндровый двигатель Дизеля. В соответствии с первоначальным проектом, сжатие в его цилиндре должно было достигать 90 атм, а температура перед началом впуска горючего — 900 градусов. Поскольку температура не должна была сильно превышать этот предел, никакой системы охлаждения для мотора не предусматривалось. Компрессор также не планировался — угольный порошок предполагалось вдувать насосом.
Но еще на стадии сборки Дизель, проверив свои расчеты, убедился, что Келер прав — затраты мощности двигателя на сжатие воздуха до 90 атмосфер оказались чрезмерно велики и «съедали» весь выигрыш в КПД за счет работы по «циклу Карно». Пришлось прямо на ходу переделывать задуманное. Чтобы снизить потери мощности на сжатие, Дизель решил уменьшить давление в цилиндре более чем вдвое — до 35-40 атм. В связи с этим температура сжатого воздуха вместо 900 градусов должна была составлять всего 600. Это было очень мало — разность температур в формуле Карно оказывалась слишком незначительной для получения высокого КПД. Чтобы поправить дело и повысить мощность мотора, Дизелю пришлось отказаться и от второго важного момента своей конструкции — расширения рабочего тела при постоянной температуре. Он рассчитал, что температура при сгорании топлива должна возрастать до 1500 градусов. А это, в свою очередь, требовало, во-первых, самого интенсивного охлаждения мотора, а во-вторых, более калорийного горючего. Угольная пыль не могла дать такой высокой температуры, поэтому Дизель был принужден обратиться к жидкому топливу. Но при первой же попытке впрыснуть в цилиндр бензин, произошел взрыв, едва не унесший жизни изобретателя и его помощников.
Так закончилось первое испытание. Оно имело двоякий результат. Дизелю пришлось шаг за шагом довольно сильно отступить от первоначальной схемы своего «идеального мотора». Но, с другой стороны, некоторые принципиальные моменты его расчетов подтвердились — сильное сжатие рабочей смеси вело к повышению КПД и, кроме того (взрыв доказал это), оказалось, что топливо действительно можно воспламенять путем сжатия, не прибегая к дорогостоящей системе зажигания. Поэтому фирмы, финансировавшие проект, остались в целом удовлетворены достигнутым успехом, и Дизель получил возможность продолжать свои эксперименты.
В июне 1894 году был построен второй двигатель, для которого Дизель придумал форсунку, управлявшую впрыском керосина. В этой модели давление в цилиндре доводилось до 35-40 атм, а температура в конце сжатия — до 500-600 градусов. Мотор не только удалось запустить, но и заставить работать на холостом ходу с частотой до 80 оборотов в минуту. Это был большой успех — идея Дизеля оказалась жизнеспособной. В 1895 году был построен третий двигатель, который мог уже работать с небольшой нагрузкой. Для впрыскивания керосина здесь впервые был предусмотрен компрессор. Кроме того, пришлось разработать систему интенсивного охлаждения, чтобы предотвратить заклинивание цилиндра. Только после этого в 1896 году запуск нового опытного образца принес успех. При испытании с нагрузкой КПД мотора оказался 36%, а расход керосина составил около 200 г на лошадиную силу в час. Хотя эти показатели и были очень далеки от параметров «идеального мотора», они все же впечатляли: КПД нового двигателя оказался на 10-12% выше, чем у бензиновых двигателей того времени, а по своей экономичности он превосходил их почти в два раза. Пусть Дизелю не удалось исполнить свою мечту, все же сделанное им имело огромное значение — благодаря его настойчивости была разработана принципиально новая конструкция двигателя внутреннего сгорания, которая была и остается лучшей на протяжении ста последних лет.
Работал новый мотор следующим образом. При первом ходе поршня за счет живой силы маховика, запасенного за предыдущую работу машины, воздух всасывался внутрь цилиндра. Во время второго хода, совершаемого также за счет живой силы маховика, запертый в цилиндре воздух сжимался до 35 атм. При этом теплота, выделявшаяся при сжатии, доводила его до температуры воспламенения горючего. В начале третьего хода при помощи насоса вводился керосин. Это впрыскивание продолжалось лишь незначительную часть хода. В течение остальной части хода газовая масса расширялась, и поршню сообщалась рабочая сила, которая и передавалась через шатун коленчатому валу двигателя. При четвертом ходе продукты сгорания извергались через выхлопную трубу в атмосферу.
Двигатель был снабжен компрессором, который в особом резервуаре сгущал воздух при давлении, несколько превышавшем самое высокое давление в цилиндре. Из этого резервуара воздух через трубку очень незначительного диаметра направлялся в маленькую камеру форсунки, то есть аппарата для распыления подаваемого горючего, куда одновременно подавался керосин. Эта камера сообщалась с внутренностью цилиндра при помощи маленького отверстия, запираемого иглой: когда эта игла приподнималась, керосин вгонялся в цилиндр благодаря избытку давления в камере. Горение в цилиндре регулировалось, смотря по силе, которую должен был развить двигатель, либо изменением продолжительности впуска горючего, либо изменением давления в компрессоре. Этот же сжатый воздух употреблялся и для начального пуска двигателя из холодного состояния. Наверху двигателя помещался распределительный вал с пятью кулачками один управлял клапаном, впускавшим воздух, другой — клапаном, впускавшим керосин, третий — клапаном, выпускавшим продукты сгорания. Два последних кулачка управляли клапанами, при помощи которых впускался сжатый воздух в цилиндр при первоначальном пуске двигателя.
Первые же официальные испытания нового двигателя произвели настоящую сенсацию среди инженеров. С этого времени началось победное шествие «дизелей» по всему миру. Многие фирмы, которые прежде не откликнулись на предложение Дизеля, спешили купить у него право строить изобретенные им моторы, и это право обходилось им теперь недешево (например, Эммануил Нобель, желая наладить производство дизелей в России, заплатил Дизелю около 500 тысяч долларов). Уже в 1898 году Дизель, совершенно неожиданно для себя, сделался миллионером. Впрочем, первые двигатели, пущенные в серийное производство, оказались неудовлетворительными, капризными и часто выходили из строя. Выпуск такой сложной и высокотехнологичной машины оказался не под силу многим заводам с устаревшим оборудованием. Как в свое время Уатту, Дизелю пришлось потратить много сил на то, чтобы довести до совершенства производственный процесс изготовления дизелей — разработать новые станки, найти подходящие сплавы, подготовить специалистов. В течение нескольких лет он кочевал по Европе и Америке, посещая заводы, на которых шло производство его моторов. К началу XX века основные трудности были преодолены, и дизели стали постепенно завоевывать все новые и новые сферы применения в промышленности и транспорте. В 1900 году на Всемирной выставке в Париже двигатели Дизеля получили гран при. Особенно подняло престиж новых моторов известие о том, что завод Нобеля в России наладил выпуск очень неплохих двигателей, работавших на сырой нефти.
67. АВТОМОБИЛЬ
Автомобиль принадлежит к числу тех величайших изобретений, которые, подобно колесу, пороху или электрическому току, имели колоссальное влияние не только на породившую их эпоху, но и на все последующие времена. Его многогранное воздействие далеко не ограничивается сферой транспорта. Автомобиль сформировал современную индустрию, породил новые отрасли промышленности, деспотически перестроил само производство, впервые придав ему массовый, серийный и поточный характер. Он преобразил внешний облик планеты, которая опоясалась миллионами километров шоссейных дорог, оказал давление на экологию и поменял даже психологию человека. Влияние автомобиля сейчас настолько многопланово, что ощущается во всех сферах человеческой жизни. Он сделался как бы зримым и наглядным воплощением технического прогресса вообще, со всеми его достоинствами и недостатками.
В истории автомобиля было много удивительных страниц, но, возможно, самая яркая из них относится к первым годам его существования. Не может не поражать стремительность, с которой это изобретение прошло путь от появления до зрелости. Понадобилась всего четверть века на то, чтобы автомобиль из капризной и еще ненадежной игрушки превратился в самое популярное и широко распространенное транспортное средство. Уже в начале XX века он был в главных чертах идентичен современному автомобилю.
Опишем в нескольких словах принцип действия и назначение основных узлов автомашины в том виде, в каком они сложились к 1901-1902 годах. Источником движения служил бензиновый мотор. Бензин поступал из бака 3 в карбюратор, где он распылялся и смешивался с воздухом, так что образовывалась горючая газовая смесь. Водитель, управляя особым клапаном в карбюраторе, мог увеличить или уменьшить количество этой смеси в цилиндрах двигателя. С увеличением притока газа мотор начинал работать быстрее, так как сила взрыва возрастала, а с уменьшением ее подачи сила ослабевала, и скорость вращения мотора уменьшалась. Этим приемом водители пользуются по сей день, нажимая или отпуская педаль газа.
Газовая смесь, подготовленная в карбюраторе, поступала в двигатель 1, где при помощи запального или зажигательного приспособления 4 она взрывалась. Последовательные взрывы сильно нагревали цилиндры, так что двигатель нуждался в постоянном охлаждении. Обыкновенно охлаждение стенок рабочих цилиндров совершалось путем циркуляции воды. Циркуляция производилась за счет помпы (водяного насоса) 7, приводимого во вращение двигателем. Чтобы иметь возможность пользоваться для охлаждения одной и той же водой, последняя пропускалась через радиатор (холодильник) 8, в котором вода охлаждалась током воздуха. Отработанные газы выпускались в атмосферу через глушитель 5, ослаблявший шум выхлопа.
Поршни мотора вращали коленчатый вал. Далее работа двигателя передавалась задним ведущим колесам при посредстве механизма сцепления 9, через коробку передач 13 и 10 и кардан 11. Сцепление позволяло разобщать или передавать работу двигателя на механизм перемены скоростей. Коробка скоростей (передач) давала возможность изменять скорость автомобиля, не изменяя хода двигателя. Кардан представлял собой вал, выходящий из коробки скоростей и снабженный одним или двумя карданными соединениями. Он приводил в движение дифференциал, расположенный на задней оси.
Остановимся коротко на устройстве каждого из этих приспособлений. О работе бензинового двигателя и запального зажигания рассказывалось в одной из предыдущих глав. Электрическое зажигание, постепенно вытеснившее запальное, применялось уже на многих ранних моделях автомобилей. Источником тока здесь служили батарея или аккумулятор. Иногда искра получалась с помощью магнитоэлектрической машины (магнето). Цель системы зажигания состояла в том, чтобы в каждом цилиндре двигателя в момент наибольшего сжатия поршнем взрывчатой смеси проскакивала электрическая искра, воспламеняющая газ. Для того чтобы воспламенение сильно сжатой смеси происходило бесперебойно, ток для получения искры должен был составлять порядка 15 тысяч вольт. Поначалу прибор для зажигания состоял из двух частей источника тока и катушки Румкорфа. Особую роль в системе автомобильного зажигания играет прерыватель тока. Так как искра должна проскакивать в цилиндре в точно установленный момент, прерыватель помещается на распределительном валу двигателя таким образом, что сам двигатель управляет своим зажиганием. Известно, что первые автомобилисты имели много причин жаловаться на электрическое зажигание: оно долго оставалось капризным и ненадежным. Огромный шаг вперед был сделан с изобретением магнето, которое стало устанавливаться на автомобилях с 1902 года. В этой конструкции нашли исключительно надежный источник тока. В основе действия магнето лежал уже описанный принцип электромагнитной индукции. На валу, вращаемом двигателем, устанавливалась индукционная катушка, которая крутилась между полюсами постоянного магнита. На якоре катушки помещалась обмотка из толстой проволоки, а поверх нее — обмотка из тонкой проволоки. В силу электромагнитной индукции в этой вторичной обмотке индуцировался ток высокого напряжения. Концы катушки проводились в цилиндр и замыкались на электрическую свечу. Дважды за один оборот, проходя через максимумы тока, магнето давало разряд искры.
Так в общих чертах осуществлялась работа двигателя. Теперь о том, как происходила передача движения. При запуске двигателя рабочее усилие возникало в нем не мгновенно. Поэтому в момент запуска двигатель должен был отсоединяться от коробки передач, то есть работать вхолостую (в первых автомобилях это было особенно важно, так как запуск производился вручную, при помощи вращения специальной пусковой рукоятки; понятно, что человеку было не под силу это сделать, если бы двигатель находился под нагрузкой). Кроме того, отсоединять двигатель от нагрузки совершенно необходимо при переключении скоростей. Это разъединение происходило (и происходит) посредством механизма сцепления. В первые годы существования автомобиля сцепление и расцепление двигателя производили путем перемещения приводного ремня с рабочего шкива на шкив холостого хода (подробнее об устройстве такого сцепления будет сказано немного ниже). Но уже в последние годы XIX века ему на смену пришло более совершенное сцепление с помощью усеченного конуса. Для этого рабочий вал двигателя и приемный вал снабжались конусами, так что один конус входил в другой, причем меньший конус заклинивался в большем, соединяясь с ним в одно целое. Специальная пружина постоянно толкала внутренний конус в маховик, образующий наружный конус, чем и достигалось прочное сцепление. Чтобы прервать это сцепление, достаточно было нажать на специальную педаль. Приложенное при этом усилие приводило к рассоединению.
За сцеплением находилась коробка передач (или скоростей). Для чего она нужна? Бывают случаи, когда простого увеличения подачи газа недостаточно для того, чтобы автомобиль преодолел какое-либо препятствие (например, подъем или просто плохую дорогу). Коробка передач (скоростей) как раз и служила для более кардинальной регулировки усилий двигателя. Назначение ее состоит в том, чтобы, не изменяя скорости вращения вала двигателя, менять скорость вращения передаточного вала (и, следовательно, ведущих колес). Первые автомобили имели только две передачи и осуществляли их при помощи ремней. Однако ременная передача недолго удержалась на практике. Понемногу пришли к выводу, что удовлетворительно разрешить проблему перемены скоростей можно лишь с помощью совокупности шестерней, которые могут дать три или четыре скорости для переднего хода и одну для заднего. Впервые такие коробки передач стали устанавливать на автомобилях фирмы «Панар и Левассор» в начале 90-х годов XIX века. Рассмотрим действие этой еще очень простой по своему устройству коробки передач. Если бы не было коробки передач, то с рабочего вала мотора M усилие передавалось бы на вал P, а с него, при помощи конической зубчатой передачи, на зубчатку Q дифференциала, вращающую колесо R. В этом случае зубчатка Q совершала бы в минуту столько же оборотов, сколько совершает их рабочий вал мотора. Но тогда, когда между мотором и колесом помещается коробка передач, рабочий вал как бы разрезается на две части. При этом первичный вал P принимает движение с мотора, а вторичный вал S передает его на заднюю ось. Оба вала связываются между собой системой зубчатых колес (шестерен). Шестерни a и b на валу S закреплены неподвижно, а шестерни A и B на валу P надеты на подвижную каретку, которая может перемещаться с помощью рычага переключения передач. Допустим, водитель перемещает каретку AB так, чтобы шестерня A произвела зацепление с зубцами шестерни a. Что мы получим? Если мотор делает 1200 оборотов в минуту и если диаметр A равен 10 см, а диаметр a равен 20 см, то вал P будет делать 1200 об/мин, а вал S — вдвое меньше, то есть всего лишь 600. В этом случае, если окружность конической шестерни вчетверо меньше зубчатки Q, рабочие колеса будут делать всего 150 об/мин. Допустим, каретку передвигают так, что B зацепляется за b. Если диаметр B равен 8 см, а диаметр b — 12 см, то скорость вала S будет составлять 800 об/мин, а колеса будут делать 200 об/мин. Подобные же рассуждения приложимы еще к двум сочетаниям шестерен A-b и B-a, и таким образом мы получим весьма простое объяснение действия четырехскоростной коробки передач.
Далее следует кардан. Уже перед первыми изобретателями встала проблема передачи движения от мотора к колесам. Дело в том, что эта передача не может быть жесткой. В самом деле, двигатель прочно соединен с рамой, но рама соединена с колесами не жестко, а с помощью системы рессор. Так как автомобиль подскакивает на неровностях, то рабочий вал двигателя и задняя ось непрерывно поднимаются и опускаются друг относительно друга, и эти смещения тем больше, чем хуже дорога. Если бы рабочий вал был жестко соединен с задней осью, малейшее сотрясение привело бы к его поломке. Итак, передача должна быть гибкой, то есть такой, при которой задняя ось могла бы свободно перемещаться вверх и вниз, не теряя связи с двигателем. В первых автомобилях привод от двигателя к ведущим колесам осуществлялся при помощи цепной передачи, которая получила широкое распространение в велосипедах. Цепь давала необходимую гибкость и обладала многими достоинствами, но она очень быстро загрязнялась и требовала почти ежедневного ухода. Поэтому очень скоро ей на смену пришел карданный вал. (Эта передача между двумя валами была изобретена итальянцем Кардано еще в XVI веке).
Соединение задних колес с осью тоже представляет определенную трудность. В главе, посвященной колесу, уже говорилось, что при движении экипажа по неровной дороге или на поворотах его колеса проходят разные пути, то есть вращаются с разной частотой. Для ведомых колес, не связанных жестко с осью, это требование выполняется автоматически. Но ведущие колеса нельзя свободно посадить на ось, поскольку через ось к ним передается вращение мотора. Однако и жестко их соединить нельзя, так как в процессе движения будет происходить проскальзывание одного колеса или пробуксовка другого, что резко ухудшает управляемость машиной — она не слушается руля и на большой скорости может не вписаться в поворот. Для соединения задних колес с осью служит дифференциал, который и дает возможность ведущим колесам вращаться независимо, не теряя связи с мотором. Чтобы понять принцип действия дифференциала, мысленно разрежем заднюю ось на две полуоси. На внешние концы этих полуосей будут насажены колеса, а на внутренние — две конических шестерни, расположенные параллельно одна против другой. Эти шестерни соединены между собой двумя коническими шестернями-сателлитами и заключены внутри прочного кольца, которое служит оболочкой всему прибору.
Движение от мотора M через сцепление V, передаточный вал A и коническую передачу P-Q передается на коробку дифференциала K, которая прикручена болтами к шестерне Q и вращается вместе с ней. С внутренней стороны коробки насажены два конических зубчатых колеса-сателлита EE, от которых приводятся в движение конические зубчатые колеса FF, наглухо насаженные на концы полуосей S и T, связанных с задними колесами G и D.
Когда автомобиль едет прямо, задние колеса вращаются с одной и той же скоростью, следовательно, сателлиты EE испытывают одинаковое давление и потому остаются неподвижными. При этом вся коробка дифференциала может рассматриваться как монолитная система, действующая так, как будто полуоси S и T жестко связаны между собой. Но если автомобиль делает поворот, то колесо, обращенное внутрь, оказывает большее сопротивление движущей силе. В этом случае одна шестерня F начинает вращаться медленнее, чем другая шестерня F, связанная с внешним колесом. Вследствие этого сателлиты начинают вращаться вокруг своей оси и передают усилие с внутреннего колеса на внешнее. К примеру, если шестерня Q (и связанная с ней коробка дифференциала) делает 100 об/мин, то колесо D начинает делать 80 об/мин, а колесо G 120 об/мин.
Все описанные устройства имели уже первые автомобили (точно так же, как и многие другие атрибуты современных автомашин: систему подвески, рулевые тяги, тормоза, шарикоподшипники и т.д.), из чего можно заключить, что бензиновый автомобиль, как транспортное средство, с самого начала обладал значительным совершенством. Это стало возможным благодаря тому, что в автомобилестроение был перенесен многолетний опыт использования других сухопутных транспортных средств: конного экипажа, паромобиля и велосипеда. Автомобиль очень многим обязан своим предшественникам, и наш дальнейший рассказ послужит тому подтверждением.
Так, например, подвески, рессоры, рулевое приспособление и тормоза достались автомобилю от карет и конных экипажей. Еще в 1640 году англичанин Блаунт построил первый экипаж со стальными С-образными рессорами, а в 1804 году английский мастер Эллот изобрел так называемые эллиптические или «лежачие» рессоры. В 1818 году Акерман придумал устройство для управления экипажем. В конструкции Акермана передняя ось состояла из трех частей — средней, неподвижной, закрепленной с помощью рессор на раме или на корпусе экипажа, и двух крайних частей (цапф), связанных со средней частью шарнирами. При повороте колеса вместе с цапфами, на которых они вращались, поворачивались вокруг вертикальной оси шарниров. Точно так же устроена передняя ось автомобиля.
Монолитные резиновые шины также впервые были установлены на каретах их в 1847 году изобрел англичанин Хэнком.
Непосредственным предшественником бензинового автомобиля стал паромобиль. Первым практически действовавшим паровым автомобилем считается паровая телега, построенная французом Кюньо в 1769 году. Перевозя до 3 тонн груза, она передвигалась со скоростью всего 2-4 км/ч. Были у нее и другие недостатки. Тяжелая машина очень плохо слушалась руля, постоянно наезжала на стены домов и заборы, производя разрушения и терпя немалый урон. Две лошадиные силы, которые развивал ее двигатель, давались с трудом. Несмотря на большой объем котла, давление быстро падало. Через каждые четверть часа для поддержания давления приходилось останавливаться и разжигать топку. Одна из поездок закончилась взрывом котла. К счастью, сам Кюньо остался жив.
В истории автомобиля было много удивительных страниц, но, возможно, самая яркая из них относится к первым годам его существования. Не может не поражать стремительность, с которой это изобретение прошло путь от появления до зрелости. Понадобилась всего четверть века на то, чтобы автомобиль из капризной и еще ненадежной игрушки превратился в самое популярное и широко распространенное транспортное средство. Уже в начале XX века он был в главных чертах идентичен современному автомобилю.
Опишем в нескольких словах принцип действия и назначение основных узлов автомашины в том виде, в каком они сложились к 1901-1902 годах. Источником движения служил бензиновый мотор. Бензин поступал из бака 3 в карбюратор, где он распылялся и смешивался с воздухом, так что образовывалась горючая газовая смесь. Водитель, управляя особым клапаном в карбюраторе, мог увеличить или уменьшить количество этой смеси в цилиндрах двигателя. С увеличением притока газа мотор начинал работать быстрее, так как сила взрыва возрастала, а с уменьшением ее подачи сила ослабевала, и скорость вращения мотора уменьшалась. Этим приемом водители пользуются по сей день, нажимая или отпуская педаль газа.
Газовая смесь, подготовленная в карбюраторе, поступала в двигатель 1, где при помощи запального или зажигательного приспособления 4 она взрывалась. Последовательные взрывы сильно нагревали цилиндры, так что двигатель нуждался в постоянном охлаждении. Обыкновенно охлаждение стенок рабочих цилиндров совершалось путем циркуляции воды. Циркуляция производилась за счет помпы (водяного насоса) 7, приводимого во вращение двигателем. Чтобы иметь возможность пользоваться для охлаждения одной и той же водой, последняя пропускалась через радиатор (холодильник) 8, в котором вода охлаждалась током воздуха. Отработанные газы выпускались в атмосферу через глушитель 5, ослаблявший шум выхлопа.
Поршни мотора вращали коленчатый вал. Далее работа двигателя передавалась задним ведущим колесам при посредстве механизма сцепления 9, через коробку передач 13 и 10 и кардан 11. Сцепление позволяло разобщать или передавать работу двигателя на механизм перемены скоростей. Коробка скоростей (передач) давала возможность изменять скорость автомобиля, не изменяя хода двигателя. Кардан представлял собой вал, выходящий из коробки скоростей и снабженный одним или двумя карданными соединениями. Он приводил в движение дифференциал, расположенный на задней оси.
Остановимся коротко на устройстве каждого из этих приспособлений. О работе бензинового двигателя и запального зажигания рассказывалось в одной из предыдущих глав. Электрическое зажигание, постепенно вытеснившее запальное, применялось уже на многих ранних моделях автомобилей. Источником тока здесь служили батарея или аккумулятор. Иногда искра получалась с помощью магнитоэлектрической машины (магнето). Цель системы зажигания состояла в том, чтобы в каждом цилиндре двигателя в момент наибольшего сжатия поршнем взрывчатой смеси проскакивала электрическая искра, воспламеняющая газ. Для того чтобы воспламенение сильно сжатой смеси происходило бесперебойно, ток для получения искры должен был составлять порядка 15 тысяч вольт. Поначалу прибор для зажигания состоял из двух частей источника тока и катушки Румкорфа. Особую роль в системе автомобильного зажигания играет прерыватель тока. Так как искра должна проскакивать в цилиндре в точно установленный момент, прерыватель помещается на распределительном валу двигателя таким образом, что сам двигатель управляет своим зажиганием. Известно, что первые автомобилисты имели много причин жаловаться на электрическое зажигание: оно долго оставалось капризным и ненадежным. Огромный шаг вперед был сделан с изобретением магнето, которое стало устанавливаться на автомобилях с 1902 года. В этой конструкции нашли исключительно надежный источник тока. В основе действия магнето лежал уже описанный принцип электромагнитной индукции. На валу, вращаемом двигателем, устанавливалась индукционная катушка, которая крутилась между полюсами постоянного магнита. На якоре катушки помещалась обмотка из толстой проволоки, а поверх нее — обмотка из тонкой проволоки. В силу электромагнитной индукции в этой вторичной обмотке индуцировался ток высокого напряжения. Концы катушки проводились в цилиндр и замыкались на электрическую свечу. Дважды за один оборот, проходя через максимумы тока, магнето давало разряд искры.
Так в общих чертах осуществлялась работа двигателя. Теперь о том, как происходила передача движения. При запуске двигателя рабочее усилие возникало в нем не мгновенно. Поэтому в момент запуска двигатель должен был отсоединяться от коробки передач, то есть работать вхолостую (в первых автомобилях это было особенно важно, так как запуск производился вручную, при помощи вращения специальной пусковой рукоятки; понятно, что человеку было не под силу это сделать, если бы двигатель находился под нагрузкой). Кроме того, отсоединять двигатель от нагрузки совершенно необходимо при переключении скоростей. Это разъединение происходило (и происходит) посредством механизма сцепления. В первые годы существования автомобиля сцепление и расцепление двигателя производили путем перемещения приводного ремня с рабочего шкива на шкив холостого хода (подробнее об устройстве такого сцепления будет сказано немного ниже). Но уже в последние годы XIX века ему на смену пришло более совершенное сцепление с помощью усеченного конуса. Для этого рабочий вал двигателя и приемный вал снабжались конусами, так что один конус входил в другой, причем меньший конус заклинивался в большем, соединяясь с ним в одно целое. Специальная пружина постоянно толкала внутренний конус в маховик, образующий наружный конус, чем и достигалось прочное сцепление. Чтобы прервать это сцепление, достаточно было нажать на специальную педаль. Приложенное при этом усилие приводило к рассоединению.
За сцеплением находилась коробка передач (или скоростей). Для чего она нужна? Бывают случаи, когда простого увеличения подачи газа недостаточно для того, чтобы автомобиль преодолел какое-либо препятствие (например, подъем или просто плохую дорогу). Коробка передач (скоростей) как раз и служила для более кардинальной регулировки усилий двигателя. Назначение ее состоит в том, чтобы, не изменяя скорости вращения вала двигателя, менять скорость вращения передаточного вала (и, следовательно, ведущих колес). Первые автомобили имели только две передачи и осуществляли их при помощи ремней. Однако ременная передача недолго удержалась на практике. Понемногу пришли к выводу, что удовлетворительно разрешить проблему перемены скоростей можно лишь с помощью совокупности шестерней, которые могут дать три или четыре скорости для переднего хода и одну для заднего. Впервые такие коробки передач стали устанавливать на автомобилях фирмы «Панар и Левассор» в начале 90-х годов XIX века. Рассмотрим действие этой еще очень простой по своему устройству коробки передач. Если бы не было коробки передач, то с рабочего вала мотора M усилие передавалось бы на вал P, а с него, при помощи конической зубчатой передачи, на зубчатку Q дифференциала, вращающую колесо R. В этом случае зубчатка Q совершала бы в минуту столько же оборотов, сколько совершает их рабочий вал мотора. Но тогда, когда между мотором и колесом помещается коробка передач, рабочий вал как бы разрезается на две части. При этом первичный вал P принимает движение с мотора, а вторичный вал S передает его на заднюю ось. Оба вала связываются между собой системой зубчатых колес (шестерен). Шестерни a и b на валу S закреплены неподвижно, а шестерни A и B на валу P надеты на подвижную каретку, которая может перемещаться с помощью рычага переключения передач. Допустим, водитель перемещает каретку AB так, чтобы шестерня A произвела зацепление с зубцами шестерни a. Что мы получим? Если мотор делает 1200 оборотов в минуту и если диаметр A равен 10 см, а диаметр a равен 20 см, то вал P будет делать 1200 об/мин, а вал S — вдвое меньше, то есть всего лишь 600. В этом случае, если окружность конической шестерни вчетверо меньше зубчатки Q, рабочие колеса будут делать всего 150 об/мин. Допустим, каретку передвигают так, что B зацепляется за b. Если диаметр B равен 8 см, а диаметр b — 12 см, то скорость вала S будет составлять 800 об/мин, а колеса будут делать 200 об/мин. Подобные же рассуждения приложимы еще к двум сочетаниям шестерен A-b и B-a, и таким образом мы получим весьма простое объяснение действия четырехскоростной коробки передач.
Далее следует кардан. Уже перед первыми изобретателями встала проблема передачи движения от мотора к колесам. Дело в том, что эта передача не может быть жесткой. В самом деле, двигатель прочно соединен с рамой, но рама соединена с колесами не жестко, а с помощью системы рессор. Так как автомобиль подскакивает на неровностях, то рабочий вал двигателя и задняя ось непрерывно поднимаются и опускаются друг относительно друга, и эти смещения тем больше, чем хуже дорога. Если бы рабочий вал был жестко соединен с задней осью, малейшее сотрясение привело бы к его поломке. Итак, передача должна быть гибкой, то есть такой, при которой задняя ось могла бы свободно перемещаться вверх и вниз, не теряя связи с двигателем. В первых автомобилях привод от двигателя к ведущим колесам осуществлялся при помощи цепной передачи, которая получила широкое распространение в велосипедах. Цепь давала необходимую гибкость и обладала многими достоинствами, но она очень быстро загрязнялась и требовала почти ежедневного ухода. Поэтому очень скоро ей на смену пришел карданный вал. (Эта передача между двумя валами была изобретена итальянцем Кардано еще в XVI веке).
Соединение задних колес с осью тоже представляет определенную трудность. В главе, посвященной колесу, уже говорилось, что при движении экипажа по неровной дороге или на поворотах его колеса проходят разные пути, то есть вращаются с разной частотой. Для ведомых колес, не связанных жестко с осью, это требование выполняется автоматически. Но ведущие колеса нельзя свободно посадить на ось, поскольку через ось к ним передается вращение мотора. Однако и жестко их соединить нельзя, так как в процессе движения будет происходить проскальзывание одного колеса или пробуксовка другого, что резко ухудшает управляемость машиной — она не слушается руля и на большой скорости может не вписаться в поворот. Для соединения задних колес с осью служит дифференциал, который и дает возможность ведущим колесам вращаться независимо, не теряя связи с мотором. Чтобы понять принцип действия дифференциала, мысленно разрежем заднюю ось на две полуоси. На внешние концы этих полуосей будут насажены колеса, а на внутренние — две конических шестерни, расположенные параллельно одна против другой. Эти шестерни соединены между собой двумя коническими шестернями-сателлитами и заключены внутри прочного кольца, которое служит оболочкой всему прибору.
Движение от мотора M через сцепление V, передаточный вал A и коническую передачу P-Q передается на коробку дифференциала K, которая прикручена болтами к шестерне Q и вращается вместе с ней. С внутренней стороны коробки насажены два конических зубчатых колеса-сателлита EE, от которых приводятся в движение конические зубчатые колеса FF, наглухо насаженные на концы полуосей S и T, связанных с задними колесами G и D.
Когда автомобиль едет прямо, задние колеса вращаются с одной и той же скоростью, следовательно, сателлиты EE испытывают одинаковое давление и потому остаются неподвижными. При этом вся коробка дифференциала может рассматриваться как монолитная система, действующая так, как будто полуоси S и T жестко связаны между собой. Но если автомобиль делает поворот, то колесо, обращенное внутрь, оказывает большее сопротивление движущей силе. В этом случае одна шестерня F начинает вращаться медленнее, чем другая шестерня F, связанная с внешним колесом. Вследствие этого сателлиты начинают вращаться вокруг своей оси и передают усилие с внутреннего колеса на внешнее. К примеру, если шестерня Q (и связанная с ней коробка дифференциала) делает 100 об/мин, то колесо D начинает делать 80 об/мин, а колесо G 120 об/мин.
Все описанные устройства имели уже первые автомобили (точно так же, как и многие другие атрибуты современных автомашин: систему подвески, рулевые тяги, тормоза, шарикоподшипники и т.д.), из чего можно заключить, что бензиновый автомобиль, как транспортное средство, с самого начала обладал значительным совершенством. Это стало возможным благодаря тому, что в автомобилестроение был перенесен многолетний опыт использования других сухопутных транспортных средств: конного экипажа, паромобиля и велосипеда. Автомобиль очень многим обязан своим предшественникам, и наш дальнейший рассказ послужит тому подтверждением.
Так, например, подвески, рессоры, рулевое приспособление и тормоза достались автомобилю от карет и конных экипажей. Еще в 1640 году англичанин Блаунт построил первый экипаж со стальными С-образными рессорами, а в 1804 году английский мастер Эллот изобрел так называемые эллиптические или «лежачие» рессоры. В 1818 году Акерман придумал устройство для управления экипажем. В конструкции Акермана передняя ось состояла из трех частей — средней, неподвижной, закрепленной с помощью рессор на раме или на корпусе экипажа, и двух крайних частей (цапф), связанных со средней частью шарнирами. При повороте колеса вместе с цапфами, на которых они вращались, поворачивались вокруг вертикальной оси шарниров. Точно так же устроена передняя ось автомобиля.
Монолитные резиновые шины также впервые были установлены на каретах их в 1847 году изобрел англичанин Хэнком.
Непосредственным предшественником бензинового автомобиля стал паромобиль. Первым практически действовавшим паровым автомобилем считается паровая телега, построенная французом Кюньо в 1769 году. Перевозя до 3 тонн груза, она передвигалась со скоростью всего 2-4 км/ч. Были у нее и другие недостатки. Тяжелая машина очень плохо слушалась руля, постоянно наезжала на стены домов и заборы, производя разрушения и терпя немалый урон. Две лошадиные силы, которые развивал ее двигатель, давались с трудом. Несмотря на большой объем котла, давление быстро падало. Через каждые четверть часа для поддержания давления приходилось останавливаться и разжигать топку. Одна из поездок закончилась взрывом котла. К счастью, сам Кюньо остался жив.