Содержание

Как работает автомобиль: 3D анимация и примеры

Как работает автомобиль

Как работает автомобиль: конструкция и примеры

Если задать вопрос, как работает автомобиль, знающему автомобилисту, он от вас отмахнется. Этот жест будет говорить о том, что не стоит новичку или чайнику заниматься сложными вещами. Но на практике люди, имеющие общие представления об автомобилях, могут стать неплохими автомеханиками. Итак, знания, как работает ваш автомобиль, могут понадобиться для самостоятельного ремонта, тюнинга или сборки машины DIY и просто для общего развития.

Чтобы описание было более понятным, предлагаем вам посмотреть видео в 3D, которое поможет освоить сложный материал. Начнем повествование с того, что современная конструкция легкового транспортного средства и, как принято говорить, архитектура, формировалась постепенно. Первый автомобиль был сделан Карлом Бенцем из велосипедной рамы и самостоятельно сконструированного двигателя внутреннего сгорания или ДВС.

Бензин использовался для заправки, так как он был дешевым и доступным топливом, продававшимся в аптеках. Когда супруге Бенца понадобилась дозаправка в ее знаменитой поездке, она искала именно аптекаря.

Общий принцип работы ДВС состоит в преобразовании энергии при сгорании топлива в механическую, это осуществляется с помощью передачи. В современном понимании устройство называется коробкой передач или трансмиссией.

Общее строение и конструкция автомобиля

Конструкция автомобиля довольно проста, но усложняется в результате развития и эволюции различных механизмов. Она сводится к работе:

двигателя;
трансмиссии;
ходовой части;
системы управления.

Ходовая часть может рассматриваться как отдельный механизм, дополняющийся несущей конструкцией и кузовом. На практике она отличается еще и системой привода:

переднеприводной, когда ведущими являются передние колеса – наиболее распространенная версия;
заднеприводной, с ведущими задними колесами – с повышенной тягловой силой;
полноприводной – со всеми управляемыми колесами. Причем на некоторых новых престижных автомобилях трансмиссия соединена еще с дополнительными двигателями для каждого колеса. Например, как у гиперкаров

Трансмиссия представляет собой механизм преобразования энергии ДВС в механическую передачу. Она реализована по многоступенчатому принципу, поэтому в рекламе автомобилей часто можно услышать, что установлена 8-ми или 10-ступенчатая коробка передач. Этот узел может быть, в свою очередь, механическим (МКПП), переключаемым водителем, гибридным (довольно редкая версия) и автоматическим (АКПП).

Под системой управления автомобилем понимается именно рулевое управление, а не дополнительное бортовое оборудование. В него входит гидроусилитель руля, система ABS и тормозная система. К бортовому оборудованию относятся подсистемы двигателя, электрооборудование и бортовая электроника, а также климат-контроль.

То, что мы только что описали, также часто называют компоновкой автомобиля. Об этом есть отдельная статья в Wikipediа – Компоновка легкового автомобиля.

Кузов, шасси, монокок и платформа

Автомобиль состоит из несущей системы шасси и кузова. В современных автомобилях кузов совмещен с шасси и является несущим. Он может иметь два вида конструкции:

рамную;
безрамную.

Несмотря на то, что шасси – это несущая рама, к которой прикреплены основные узлы любого транспортного средства, существуют вариации в трактовке термина. В современном понимании шасси представляет собой комплект агрегатов в сборе, состоящий из трансмиссии, ходовой части и управления.

Конструкция кузова автомобиля

Причем такое понимание несущей конструкции закрепилось еще с начала XX века. Когда Энцо Феррари приобрел шасси Lancia для гонок, он на самом деле купить ходовую часть с коробкой передач и рулевым управлением.

Шасси автомобиля BMW 3-Series

В понимании же обычных автомобилистов и автомехаников под несущей конструкцией автомобиля больше понимается «ходовая» с рамой. И когда покупается поддержанный автомобиль, уточняется, в каком она состоянии. В данном случае больше подразумевается сохранение несущих характеристик и жесткость конструкции. В частности, не повреждена ли несущая рама ржавчиной или при других событиях (ДТП).

Платформа

Несущую часть кузова также можно назвать платформой. Этот термин применяется автомобильными компаниями и часто упоминается в рекламе. При этом платформа считается более широким понятием, чем шасси, включающим совокупность основных компонентов, типовые конструктивные элементы и… оборудование. Платформа основана на комплексном технологическом решении. Но в узком понимании – это шасси, но в более сложном конструктивном и техническом исполнении.

Платформа гиперкара Project One Mercedes-Benz Пример модульной платформу EV-автомобиля Mercedes-Benz

Монокок

В современных автомобилях кузов является самонесущей конструкцией, это делает его похожим на другое конструктивное решение – монокок. Он представляет собой пространственную конструкцию, в которой оболочка является единственным и основным несущим элементом.

Монокок Гордана Мюррея, создателя McLaren F1

Подобное решение было применено MCLaren в гоночном автомобиле Формулы 1 и впоследствии стало классическим кузовной конструкцией для спортивных автомобилей. Очевидно, что идея заимствована из авиастроения. Это неудивительно, так как многие компании начинали или взаимодействовали с этой сферой деятельности. Подобный опыт имеет BMW, Nissan и ряд других компаний.

Многоколесные автомобили

Обсуждая ходовую и шасси, стоит затронуть и количество колес. Обычно речь идет о 4 колесах, но есть версии автомобилей с 6 и 8 колесами. Некоторые экспериментальные модели имели ромбовидное расположение ходовой, но они оказались непригодными для массового использования. Тем не менее, в странах Азии можно встретить трехколесные автомобили. Lit Motors разработала сбалансированный двухколесный автомобиль.

Двигатель

Двигатель располагается обычно в моторном отсеке, который находится в передней части автомобиля. Это общепринятая компоновка, но не единственно-возможный вариант. Например, среднее размещение двигателя характерно для Porsche, такое решение является уникальным для этой марки, а также у ряда спорткаров. Переднее размещение двигателя также различают по видам – продольное, как у Ferrari и Lamborghini, и поперечное, как у Honda NSX и Toyota MR2.

Автопроизводители за последнее столетие постоянно фантазировали. Некоторые решения стали общепринятыми, некоторые из них заимствованы у других транспортных средств. Например, переднее расположение двигателя соответствует капотной компоновке – в ней моторный отсек находится перед водителем. Есть и полукапотная компоновка. Это характерно, например, для городских автобусов и автомобиля ВАЗ «Буханка», но не только.

Капотная компоновка

Полукапотная компоновка используется во многих легковых автомобилях с панорамным обзором. Стекло и капот в таких автомобилях сильно наклонены, поэтому складывается впечатление однообъемной компоновки, хотя двигатель имеет традиционное переднее размещение. В продаже, в частности, в минивэнах, можно встретить вагонную и бескапотную.

Электрокар Nissan Leaf – полукапотная компоновка

В современных транспортных средствам могут использоваться разные двигатели. Самые распространенные: ДВС, работающие на бензиновом и дизельном топливе. Однако, это не панацея. Двигатель может работать на газе, с помощью паровой турбины, ртути и даже на дровах (имеется в виду на угарном газе, выделяющемся при сжигании натурального топлива). В последнее время получили распространение гибридные и электродвигатели.

Двигатель в зависимости от выбранного вида топлива может иметь разную и, что самое главное, сложную конструкцию. К моторному агрегату ДВС также относится топливная система, охлаждение, выхлопная система, а также ряд подсистем. По конструкции двигатель ДВС связывают с трансмиссией с помощью маховика, а трансмиссия управляет ведущими колесами автомобиля по соответствующему приводу.

Трансмиссия

Трансмиссия – это особый узел механического оборудования автомобиля, который может иметь уникальную конструкцию, разработанную производителем. Она управляет крутящим моментом и передает механическую работу на ходовую с помощью маховика двигателя.

В общем случае, как уже говорилось, различается механическая и автоматическая коробка передач. Не так давно МКПП предпочиталась водителями, имеющими большой опыт вождения, она присутствует на дорогих и дешевых автомобилях. Механическая коробка более адаптирована к экстремальному вождению.

АКПП была уделом новичков – передачи такая трансмиссия переключает самостоятельно. Однако за последние годы границы, связанные с автовождением, стерлись. Это связано с переходом на новую модель управления автомобилем и внедрением функций автоматического вождения. Практически все трансмиссии в новых моделях автоматические, но некоторые производители оставляют возможность переключаться на МКПП.

Если в понимании многих автомобилистов, трансмиссия – это и есть коробка передач, на практике это не так. Коробка – это часть механизмов трансмиссии, при МКПП дополнена сцеплением, главной передачей, дифференциалом и полуосями. Когда речь идет об этом, обычно имеется в виду дополнительная дифференциальная передача. В совокупности, двигатель и трансмиссия обеспечивают движение колес в зависимости от вида привода.

У заднеприводных автомобилей главная передача и дифференциал выводятся из корпуса трансмиссии и дополняются карданной передачей. У полноприводных транспортных средств устанавливается еще и раздаточная коробка.

Самая сложная трансмиссия у полноприводных автомобилей. Но такая конструкция улучшает управляемость и проходимость транспортного средства. Обычно полноприводные системы используются в SUV (кроссоверы, внедорожники) и в спорткарах. Каждому виду компоновки соответствуют разные трансмиссионные потери и разный КПД. Компоновки на эксклюзивных автомобилях могут меняться. Например, может отсутствовать распределительный вал, как у Koenigsegg, Spyker и Qoros.

Ходовая часть

Ходовая рассматривается как часть шасси и платформы, но в то же время это отдельный механизм, отвечающий за нормальное передвижение автомобиля. В частности, имеется в виду мягкий ход с минимальными вибрациями, ощущающимися в салоне.

В ходовую входят:

колеса;
подвеска.

В комплект колес входят:

шины;
диски;
в отдельных случаях камеры.

опоры колес;
пружины;
амортизаторы;
направляющие колес;
стабилизатор поперечной устойчивости;
элементы крепления подвески к корпусу.

Подвеска имеет довольно сложную конструкцию. Особенности ее конструкции очень важны для каждого конкретного автомобиля, так как обеспечивает управляемость и плавность хода. Подвески могут иметь разную конструкцию. Очень популярна независимая передняя и задняя, соответствующая типу McPherson. Такую организацию подвески также называют качающейся свечой. Задняя подвеска часто делается полунезависимой с торсионной балкой.

Система управления автомобилем

Водитель может управлять описанными системами с помощью рулевой стойки. Это осуществляется с помощью рулевого управления, которое становится более непринужденным благодаря установленному гидроусилителю. К системе управления также относится тормозная система, которая в современных автомобилях дополняется подсистемами курсовой устойчивости.

Управление двигателем и трансмиссией представляют собой другую подсистему. Они не входят в систему управления, но тесно связаны с ней.

В общем случае, можно говорить, что управление автомобиля сводится к нескольким подсистемам:

рулевому управлению – используется для изменения направления движения;
тормозной системе – используется для остановки и замедления транспортного средства;
управлению двигателем – изменению крутящего момента, управляющего трансмиссией;
управлению трансмиссией, которая регулирует скорость, режим движения и другие задаваемые стилем вождения параметрами.

В современных транспортных средствах, поддерживающих некоторые уровни автономного вождения, все перечисленное управление контролируется электроникой.

Электрооборудование

Под понятием электрооборудования понимаются все узлы и механизмы, потребляющие электроэнергию. Это своеобразная кросс-система со сквозной функциональностью. Чтобы обеспечить нормальную передачу данных и энергообеспечение отдельные устройства подключают к CAN-шине. Но такое решение характерно только для эксклюзивных автомобилей.

источниками;
потребителями;
проводники;
вспомогательные устройства.

Источником электроэнергии выступает аккумулятор, который, в свою очередь, заряжается от двигателя ДВС. Аккумуляторы могут заряжаться напрямую от сети, это характерно для гибридных и EV-автомобилей. Они являются источником энергии и для двигателя. Также в системе могут присутствовать различные рекуператоры энергии. Например, у Koenigsegg, Magneti Marelli имеются системы рекуперации при торможении.

К вспомогательным устройствам относят реле и предохранители, препятствующие выходу из строя всей системы при замыканиях.

В итоге

В совокупности автомобиль представляет собой устройство, сочетающий различные преобразователи энергии в механическую работу, которая и приводит транспортное средство в движение. Более подробное разъяснение по работе узлов и механизмов позволит для себя разобраться не только в строении и ремонте, но и в создании собственных транспортных средств в результате проведения глубокого тюнинга. Это очень интересное хобби со впечатляющим результатом, стоит того, чтобы разобраться, как работает автомобиль.