Будь умным!


У вас вопросы?
У нас ответы:) SamZan.net

Без двигателя нет движения а следовательно нет автомобиля

Работа добавлена на сайт samzan.net: 2015-07-05

Поможем написать учебную работу

Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.

Предоплата всего

от 25%

Подписываем

договор

Выберите тип работы:

Скидка 25% при заказе до 18.5.2024

Двигатель – самая важная из систем автомобиля. Без двигателя нет движения, а следовательно нет автомобиля. По аналогии со строением человека, двигатель – сердце автомобиля.

В соответствии с предназначениемдвигатель является источником механической энергии, необходимой для движения автомобиля. Для того, чтобы получить механическую энергию, в двигателе автомобиля преобразуется другой вид энергии (энергия сгорания топлива, электрическая энергия и др.). Источник энергии при этом должен находиться непосредственно на автомобиле и периодически пополняться.

Передача механической энергии от двигателя на ведущие колесаосуществляется через трансмиссию. Конструктивное объединение двигателя и трансмиссии носит устоявшееся название силовая установка.

В зависимости от вида преобразуемой энергии различают следующие основные виды автомобильных двигателей:

  1.  двигатели внутреннего сгорания (сокращенное наименование ДВС);
  2.  электродвигатели;
  3.  комбинированные двигатели, т.н. гибридные силовые установки.

Двигатель внутреннего сгорания преобразует химическую энергию сгорающего топлива в механическую работу. Известными типами ДВС являются:

  1.  поршневой двигатель;
  2.  роторно-поршневой двигатель;
  3.  газотурбинный двигатель.

На современных автомобилях наибольшее распространение получилипоршневые двигатели внутреннего сгорания, использующие в качестве источника энергии жидкое топливо (бензин, дизельное топливо) или природный газ.

Автомобиль, использующий в качестве двигателя электродвигатель, называется электромобилем. Для работы электродвигателя требуется электрическая энергия, источником которой могут бытьаккумуляторные батареи или топливные элементы. Основным недостатком электромобилей, ограничивающим их широкое применение, является небольшая емкость источника электрической энергии и соответственно низкий запас хода.

Гибридная силовая установка объединяет двигатель внутреннего сгорания и электродвигатель, связь которых осуществляется через генератор. Передача энергии на ведущие колеса в гибридном автомобиле может производиться последовательно (ДВС – генератор – электродвигатель – колесо) или параллельно (ДВС – трансмиссия – колесо и ДВС – генератор – электродвигатель – колесо). Предпочтительной является параллельная компоновка гибридной силовой установки.

В настоящее время двигатель внутреннего сгорания является основным видом автомобильного двигателя. Двигателем внутреннего сгорания (сокращенное наименование – ДВС) называется тепловая машина, преобразующая химическую энергию топлива в механическую работу.

Различают следующие основные типы ДВС:

  1.  поршневой двигатель внутреннего сгорания;
  2.  роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания;
  3.  газотурбинный двигатель внутреннего сгорания.

Из представленных типов двигателей самым распространенным является поршневой ДВС, поэтому устройство и принцип работы рассмотрены на его примере.

Достоинствами поршневого двигателя внутреннего сгорания, обеспечившими его широкое применение, являются:

  1.  автономность;
  2.  универсальность (сочетание с различными потребителями);
  3.  невысокая стоимость;
  4.  компактность;
  5.  малая масса;
  6.  возможность быстрого запуска;
  7.  многотопливность.

Вместе с тем, двигатели внутреннего сгорания имеют ряд существенных недостатков, к которым относятся:

  1.  высокий уровень шума;
  2.  большая частота вращения коленчатого вала;
  3.  токсичность отработавших газов;
  4.  невысокий ресурс;
  5.  низкий коэффициент полезного действия.

В зависимости от вида применяемого топлива различают следующие поршенвые ДВС:

  1.  бензиновые двигатели;
  2.  дизельные двигатели.

Альтернативными видами топлива, используемыми в двигателях внутреннего сгорания, являются природный газ, спиртовые топлива – метанол и этанол, водород.

Водородный двигатель с точки зрения экологии является перспективным, т.к. не создает вредных выбросов. Наряду с ДВС водород используется для создания электрической энергии в топливных элементах автомобилей.

Поршневой двигатель внутреннего сгорания имеет следующее общееустройство:

  1.  корпус;
  2.  кривошипно-шатунный механизм;
  3.  газораспределительный механизм;
  4.  впускная система;
  5.  топливная система;
  6.  система зажигания (бензиновые двигатели);
  7.  система смазки;
  8.  система охлаждения;
  9.  выпускная система;
  10.  система управления.

Корпус двигателя объединяет блок цилиндров и головку блока цилиндров. Кривошипно-шатунный механизм преобразует возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение коленчатого вала. Газораспределительный механизмобеспечивает своевременную подачу в цилиндры воздуха или топливно-воздушной смеси и выпуск отработавших газов.

Впускная система предназначена для подачи в двигатель воздуха.Топливная система питает двигатель топливом. Совместная работа данных систем обеспечивает образование топливно-воздушной смеси. Основу топливной системы составляет система впрыска.

Система зажигания осуществляет принудительное воспламенение топливно-воздушной смеси в бензиновых двигателях. В дизельных двигателях происходит самовоспламенение смеси.

Система смазки выполняет функцию снижения трения между сопряженными деталями двигателя. Охлаждение деталей двигателя, нагреваемых в результате работы, обеспечивает система охлаждения. Важные функции отвода отработавших газов от цилиндров двигателя, снижения их шума и токсичности предписанывыпускной системе.

Система управления двигателем обеспечивает электронное управление работой систем двигателя внутреннего сгорания.

Принцип работы двигателя внутреннего сгорания основан на эффекте теплового расширения газов, возникающего при сгорании топливно-воздушной смеси и обеспечивающего перемещение поршня в цилиндре.

Работа поршневого ДВС осуществляется циклически. Каждый рабочий цикл происходит за два оборота коленчатого вала и включает четыре такта (четырехтактный двигатель):

  1.  впуск;
  2.  сжатие;
  3.  рабочий ход;
  4.  выпуск.

Во время тактов впуск и рабочий ход происходит движение поршня вниз, а тактов сжатие и выпуск – вверх. Рабочие циклы в каждом из цилиндров двигателя не совпадают по фазе, чем достигается равномерность работы ДВС. В некоторых конструкциях двигателей внутреннего сгорания рабочий цикл реализуется за два такта – сжатие и рабочий ход (двухтактный двигатель).

На такте впуск впускная и топливная системы обеспечивают образование топливно-воздушной смеси. В зависимости от конструкции смесь образуется во впускном коллекторе (центральный и распределенный впрыск бензиновых двигателей) или непосредственно в камере сгорания (непосредственный впрыск бензиновых двигателей, впрыск дизельных двигателей). При открытии впускных клапанов газораспределительного механизма воздух или топливно-воздушная смесь за счет разряжения, возникающего при движении поршня вниз, подается в камеру сгорания.

На такте сжатия впускные клапаны закрываются, и топливно-воздушная смесь сжимается в цилиндрах двигателя.

Такт рабочий ход сопровождается воспламенением топливно-воздушной смеси (принудительное или самовоспламенение). В результате возгорания образуется большое количество газов, которые давят на поршень и заставляют его двигаться вниз. Движение поршня через кривошипно-шатунный механизм преобразуется во вращательное движение коленчатого вала, которое затем используется для движения автомобиля.

При такте выпуск открываются выпускные клапаны газораспределительного механизма, и отработавшие газы удаляются из цилиндров в выпускную систему, где производится их очистка, охлаждение и снижение шума. Далее газы поступают в атмосферу.

Рассмотренный принцип работы двигателя внутреннего сгорания позволяет понять, почему ДВС имеет небольшой коэффициент полезного действия - порядка 40%. В конкретный момент времени как правило только в одном цилиндре совершается полезная работа, в остальных – обеспечивающие такты: впуск, сжатие, выпуск.

Среди поршневых двигателей внутреннего сгорания в настоящее время наиболее распространен бензиновый двигатель. В бензиновом двигателе воспламенение топливно-воздушной смеси происходит принудительно за счет электрической искры.

Основными направлениями совершенствования бензиновых двигателей являются:

  1.  снижение расхода топлива;
  2.  снижение токсичности отработавших газов;
  3.  повышение мощности двигателя.

Для реализации этих требований на современных бензиновых двигателях применяются следующие системы:

Система

Достигаемый эффект

система непосредственного впрыска

снижение расхода топлива

снижение токсичности отработавших газов

впускная система

снижение расхода топлива

снижение токсичности отработавших газов

турбонаддув

снижение расхода топлива
снижение токсичности отработавших газов

повышение мощности двигателя

система изменения фаз газораспределения

снижение расхода топлива
снижение токсичности отработавших газов

повышение мощности двигателя

электронная система зажигания

снижение токсичности отработавших газов

выпускная система

снижение токсичности отработавших газов

система рециркуляции отработавших газов

снижение токсичности отработавших газов

система управления двигателем

снижение расхода топлива
снижение токсичности отработавших газов

повышение мощности двигателя

 

Система непосредственного впрыска обеспечивает впрыск топлива непосредственно в камеру сгорания. В зависимости от режима работы двигателя регулируется количество впрыскиваемого топлива, момент впрыска и образуются разные виды топливно-воздушной смеси (послойная, гомогенная, стехиометрическая гомогенная).

Современная впускная система характеризуется дроссельной заслонкой с электрическим приводом и впускными заслонками на каждый цилиндр. Впускные заслонки разделяют поток воздуха на два канала – свободный и перекрываемый заслонкой. Закрытые впускные заслонки обеспечивают послойное смесеобразование за счет вихревого движения воздуха в камере сгорания.

Турбонаддув является достаточно эффективной системой повышения мощности бензинового двигателя, основывающейся на сжатии всасываемого воздуха с помощью энергии отработавших газов. Вместе с тем, применение турбонаддува на бензиновых двигателях ограничено возможностью наступления детонации.

Система изменения фаз газораспределения обеспечивает эффективную работу газораспределительного механизма в разных режимах работы двигателя (холостой ход, низкие обороты, высокие обороты). В различных конструкциях систем эффект достигается за счет изменения момента открытия (закрытия) клапанов, продолжительности их открытия, а также высоты подъема.

Наиболее совершенной системой воспламенения топливно-воздушной смеси бензинового двигателя является электронная система зажигания, в которой создания и распределение тока высокого напряжения по цилиндрам двигателя осуществляется посредством электронных компонентов – датчиков и блока управления.

Выпускная система помимо выпуска отработавших газов в значительной степени снижает и их токсичность. Эту функцию в системе выполняет каталитический нейтрализатор, работающий под управлением кислородного датчика – лямбда-зонда.

Снижению токсичности отработавших газов способствует система рециркуляции отработавших газов. Система уменьшает содержание в отработавших газах оксида азота путем возврата их части во впускной коллектор.

Система управления двигателем объединяет работу всех перечисленных систем, обеспечивая их оптимальное функционирование на всех режимах работы двигателя.

Благодаря высокой эффективности дизельный двигатель широко применяется на грузовых автомобилях. Вместе с тем, большинство легковых автомобилей имеют в линейке своих моторов дизельные двигатели. В Европе дизель постепенно вытесняет бензиновые двигатели, к примеру, свыше 50% новых легковых автомобилей там имеют дизельный двигатель.

На легковых автомобилях используются быстроходные дизели, обладающие высокой эластичностью, т.е. способностью развивать номинальный крутящий момент в широком диапазоне частот вращения коленчатого вала.

Принцип работы дизельного двигателя основан на самопроизвольном (компрессионном) воспламенении дизельного топлива, впрыскиваемого в камеру сгорания и смешиваемого со сжатым и нагретым до высокой температуры воздухом. В отличие от бензинового двигателя процесс работы дизеля не зависит от коэффициента избытка воздуха, а определяется гетерогенностью (неоднородностью) топливно-воздушной смеси.

Дизельный двигатель имеет ряд отличительных особенностей:

  1.  имеет большую степень сжатия и как следствие более высокий коэффициент полезного действия, больший вес и габариты, низкий расход топлива;
  2.  имеет низкие обороты коленчатого вала и как следствие меньшую удельную мощность, сопровождаемые неполным сгоранием топлива, сажеобразованием;
  3.  не имеет дроссельной заслонки, поэтому развивает высокий крутящий момент на низких оборотах;
  4.  имеет сложную конструкцию топливной аппаратуры и как следствие высокую чувствительность к качеству топлива.

Основными направлениями совершенствования дизельных двигателей являются:

  1.  снижение расхода топлива;
  2.  снижение токсичности отработавших газов;
  3.  повышение мощности двигателя;
  4.  снижение уровня шума;
  5.  облегчение холодного запуска.

Для реализации этих требований на современных дизельных двигателях применяются следующие системы:

Система

Достигаемый эффект

Система впрыска Common Rail

снижение расхода топлива;
снижение токсичности отработавших газов;

снижение уровня шума

Выпускная система

снижение токсичности отработавших газов

Система рециркуляции отработавших газов

снижение токсичности отработавших газов

Впускная система

снижение расхода топлива;
снижение токсичности отработавших газов;

повышение мощности двигателя

Турбонаддув

снижение расхода топлива;
снижение токсичности отработавших газов;

повышение мощности двигателя

Система предпускового подогрева

облегчение холодного запуска

 

Система впрыска Common Rail предполагает накопление топлива в аккумуляторе высокого давления и его впрыск электронно-управляемыми форсунками. Электроника обеспечивает впрыск строго определенных порций топлива, чем достигается высокая экономия, полное сгорание и повышение мощности. При необходимости топливо может впрыскиваться многократно в течение одного цикла.

Выпускная система современного дизеля ориентирована на снижение в отработавших газах сажи, несгоревших углеводородов и оксидов азота. Для этого в системе устанавливается сажевый фильтр. Накапливаемая в фильтре сажа удаляется путем регенерации.

Система рециркуляции отработавших газов предназначена для снижения содержания в отработавших газах оксида азота, для чего часть газов возвращается во впускной коллектор. Для повышения эффективности работы системы отработавшие газы принудительно охлаждаются в специальном охладителе, включенном в систему охлаждения двигателя.

Впускная система дизельного двигателя может оборудоваться впускными заслонками. Применение заслонок образует два канала всасывания, обеспечивает завихрение воздушного потока и улучшенное смесеобразование на всех режимах. При запуске двигателя и работе на низких оборотах заслонки закрыты, при высокой частоте вращения коленчатого вала и высоком крутящем моменте – открыты. Закрытие заслонок приводит к снижению в отработавших газах оксида углерода и несгоревших углеводородов.

Наиболее эффективной системой повышения мощности дизельного двигателя является турбонаддув. Для создания оптимального давления наддува на всех режимах работы двигателя в системе используется турбонагнетатель с изменяемой геометрией турбины.

Для облегчения запуска дизельного двигателя в холодное время применяется система предпускового разогрева, представляющая собой электронно-управляемые свечи накаливания, установленные во впускном коллекторе. Дополнительно на автомобиль может устанавливаться подогреватель дизельного топлива

Что мы знаем об оппозитном двигателе? То, что поршни в нем двигаются горизонтально. Что данный двигатель является лицом автомобилей Subaru. Пожалуй, все. Давайте узнаем немного больше.

Оппозитный двигатель является одной из компоновочных схем двигателя внутреннего сгорания, в которой поршни находятся под углом 180° и двигаются в горизонтальной плоскости друг к другу и друг от друга. При этом два соседних поршня всегда находятся в одинаковом положении, например в верхней мертвой точке.

Движение поршней в двигателе напоминает поединок боксеров, поэтому другое название оппозитного двигателя - боксер (boxer). Особенностью конструкции оппозитного двигателя является установка каждого поршня сшатуном на отдельной шатунной шейке коленчатого вала. Оппозитный двигатель всегда имеет четное количество цилиндров (2, 4, 6, 8, 10, 12). Самые распространенные в настоящее время четырех- и шестицилиндровые «оппозитники».

Оппозитный двигатель не нужно путать с V-образным двигателем и углом развала цилиндров 180°. При внешнем сходстве в таком двигателе соседние поршни с шатунами располагаются на одной шатунной шейке. Поэтому, когда один поршень достигает верхней мертвой точки, другой находится в нижней мертвой точке.

Неоспоримыми преимуществами оппозитного двигателя являются низкий центр тяжести, минимальные вибрации при работе и высокий уровень безопасности при лобовом столкновении.

Смещенный вниз центр тяжести оппозитного двигателя позволяет добиться лучшей устойчивости и управляемости автомобиля. Низко расположенный двигатель находится на одной оси с трансмиссией, чем достигается более эффективная передача мощности.

Оппозитный двигатель практически полностью лишен вибраций (имеет место только момент от сил инерции второго порядка, стремящийся развернуть двигатель вокруг вертикальной оси). Взаимно согласованное движение соседних поршней обеспечивает плавную работу двигателя. Баланс масс в оппозитном двигателе позволяет произвести установку коленчатого вала на трех коренных подшипниках (вместо обычных пяти), что значительно сокращает длину двигателя и его вес.

Оппозитный двигатель в большей степени отвечает требованиям пассивной безопасности. При лобовом столкновении мотор уходит вниз под автомобиль и, тем самым, сохраняет жизнь пассажиров в салоне. Не менее важным для водителей достоинством оппозитного двигателя является характерный звук его работы, отличающийся от других ДВС.

К сожалению, оппозитный двигатель не лишен и недостатков. Самым серьезным, на наш взгляд, является высокая трудоемкость ремонтных работ, связанная с особенностью конструкции двигателя. Так, для выполнения отдельных ремонтов требуется снятие двигателя с автомобиля. В некоторых источниках отмечается, что горизонтальное движение поршня приводит к неравномерному износу гильзы цилиндра и, как следствие, повышенному расходу масла. Ввиду определенных габаритных размеров оппозитный двигатель устанавливается на автомобиль только продольно.

В настоящее время оппозитные двигатели разрабатывают и устанавливают на свои автомобили компании Subaru и Porsche. Ранее оппозитный двигатель можно было увидеть на автомобилях Alfa Romeo, Citroen, Chevrolet, Honda, Lancia, Toyota, Volkswagen и даже Ferrari.

Компания Subaru использует оппозитные двигатели с 1963 года. Это четырех- и шестицилиндровые Boxer. История четырехцилиндровых двигателей от Subaru насчитывает три поколения: серия EA (1966-1994); серия EJ (1989-1998, коленчатый вал на 5 коренных подшипниках, 1999-2010, коленчатый вал на трех коренных подшипниках); серия FB (с 2010 года). Шестицилиндровые Boxer пошли в производство несколько позже - серия ER (1987-1991), серия EG (1992-1997), серия EZ (с 1999 года).

Абсолютное большинство оппозитных моторов это бензиновые двигатели с распределенным впрыском топлива и верхней системой газораспределения. Они имеют один (SOHC) или два (DOHC)распределительных вала, которые приводятся от коленчатого вала зубчатым ремнем или цепью. Несмотря на разное количество распределительных валов в двигателях реализована четырехклапанная схема газообмена. Ряд двигателей оснащентурбонаддувом.

Четырехцилиндровый Boxer третьего поколения получился более простой, компактный, экономичный и безвредный. Для снижения расхода топлива, уменьшения токсичности выбросов, увеличения величины крутящего момента и расширения его границы в новых двигателях использовано множество прогрессивных технических решений:

  1.  увеличена степень сжатия за счет увеличения хода поршня и уменьшения объема камеры сгорания;
  2.  снижен вес движущихся деталей (шатуна, поршня, коленчатого вала) за счет изготовления ковкой;
  3.  на распределительных валах впускных и выпускных клапанов использована система изменения фаз газораспределения (система активного управления клапанами AVCS);
  4.  применен новый масляный насос, обеспечивающий высокое качество смазки и увеличивающий ресурс двигателя;
  5.  использована система охлаждения с раздельными контурами для охлаждения блока цилиндров и головки блока.

В 2008 году Subaru впервые представила дизельный оппозитный двигатель. Четырехцилиндровый мотор, объемом 2,0 литра, развивает мощность 150 лс. В нем использована система впрыска Common Rail, система турбонаддува с турбиной с изменяемой геометрией.

На ряд моделей автомобилей Porsche (911, Boxster, Cayman) устанавливаются шестицилиндровые оппозитные двигатели. В свое время для использования в автогонках были разработаны 8 и 12-цилиндровые оппозитные двигатели.

Гибридным автомобилем называется транспортное средство, приводимое в движение с помощью гибридной силовой установки. Отличительной особенностью гибридной силовой установки является использование двух и более источников энергии и соответствующим им двигателей, преобразующих энергию в механическую работу. В некоторых источниках информации используется термин "гибридный двигатель", который с технической точки зрения неверен.

Несмотря на многообразие источников энергии (тепловая энергия бензина или дизельного топлива, электроэнергия, энергия сжатого воздуха, энергия сжатого сжиженного газа, солнечная энергия, энергия ветра и др.) в промышленном масштабе на гибридных автомобилях используется комбинация двигателя внутреннего сгорания и электродвигателя.

Главное преимущество гибридного автомобиля заключается в существенном сокращении расхода топлива и выбросов вредных веществ в атмосферу, которое достигается:

  1.  согласованной работе ДВС и электродвигателя;
  2.  применением аккумуляторов большой емкости;
  3.  использованием энергии торможения, т.н. рекуперативное торможение, преобразующее кинетическую энергию движения в электроэнергию.

Вместе с тем, в гибридных автомобилях используется множество других инновационных разработок, позволяющих экономить топливо и беречь атмосферу, в том числе:

  1.  система изменения фаз газораспределения;
  2.  система стоп-старт;
  3.  система рециркуляции отработавших газов;
  4.  система подогрева охлаждающей жидкости отработавшими газами;
  5.  улучшенная аэродинамика;
  6.  электропривод вспомогательных устройств (водяного насоса,климатической установкиусилителя руля и др.);
  7.  шины с пониженным сопротивлением качению.

Необходимо отметить, что больший эффект от гибридных автомобилей наблюдается при движении в городском цикле, который характеризуется частыми остановками, работой в режиме холостого хода. При движении с постоянной высокой скоростью (загородный цикл) гибриды не так эффективны.

В зависимости от характера взаимодействия двигателя внутреннего сгорания и электродвигателя различают следующие схемы гибридных силовых установок:

  1.  последовательная схема;
  2.  параллельная схема;
  3.  последовательно-параллельная схема.

Последовательная схема гибридного автомобиля

При последовательной схеме автомобиль приводится в движение от электродвигателя. Двигатель внутреннего сгорания соединен только с генератором, который в свою очередь питает электродвигатель и заряжает аккумуляторную батарею.

В гибридном автомобиле с последовательной схемой силовой установки, как правило, предусматривается возможность подключения к электрической сети по окончании поездки. Такие автомобили носят название Plug-in Hybrid (дословно -подключаемый гибрид). Реализация данной функции предполагает использование аккумуляторов увеличенной емкости (литий-ионные аккумуляторы), приводит к сокращению использования ДВС и соответственно снижению вредных выбросов.

Представителями Plug-in Hybrid являются автомобили Chevrolet Volt, Opel Ampera. Их еще называют электромобилями с увеличенным радиусом действия (Extended Range Electric Vehicle, EREV). Эти автомобили имеют возможность движения до 60 км на энергии аккумуляторов и до 500 км на энергии генератора, приводимого в действие ДВС.

Параллельная схема гибридного автомобиля

В параллельной схеме электродвигатель и двигатель внутреннего сгорания устанавливаются таким образом, что могут работать как самостоятельно, так и совместно. Это достигается путем соединения ДВС, электродвигателя и коробки передач с помощью автоматически управляемых муфт.

Гибридные автомобили, использующие параллельную схему, носят название Mild Hybrid (дословно - умеренный гибрид). В них используется электродвигатель малой мощности (порядка 20 кВт), который обеспечивает, как правило, дополнительную мощность при ускорении автомобиля. В большинстве конструкций электродвигатель, расположенный между ДВС и коробкой передач, выполняет также функцию стартера и генератора.

Известными гибридными автомобилями с параллельной схемой являются Honda Insight, Honda Civic Hybrid, BMW Active Hybrid 7, Volkswagen Touareg Hybrid, Hyundai Elantra Hybrid. Пионером в данной области является Honda и ее система Integrated Motor AssistIMA (дословно – интегрированный помощник двигателя).

При работе системы IMA можно выделить следующие характерные режимы:

  1.  Работа от электродвигателя.
  2.  Совместная работа ДВС и электродвигателя.
  3.  Работа от ДВС с одновременной зарядкой аккумулятора от электродвигателя в режиме генератора.
  4.  Зарядка аккумуляторной батареи в режиме рекуперативного торможения.

Последовательно-параллельная схема гибридного автомобиля

При последовательно-параллельной схеме двигатель внутреннего сгорания и электродвигатель соединены через планетарный редуктор. При этом мощность каждого из двигателей может передаваться на ведущие колеса одновременно в соотношении от 0 до 100% от номинальной мощности. В отличие от параллельной схемы в последовательно-параллельную схему добавлен генератор, обеспечивающий энергией работу электродвигателя.

Гибридные автомобили, использующие последовательно-параллельную схему, носят название Full Hybrid(дословно - полный гибрид). Известными полными гибридами являются автомобили Toyota Prius, Lexus RX 450h, Ford Escape Hybrid. В этом сегменте рынка гибридных автомобилей господствует компания Toyota и ее система Hybrid Synergy DriveHSD.

Силовая установка системы HSD представляет собой:

  1.  двигатель внутреннего сгорания, соединенный с водило планетарного редуктора;
  2.  электродвигатель, соединенный с коронной шестерней планетарного редуктора;
  3.  генератор, соединенный с солнечной шестерней планетарного редуктора.

Двигатель внутреннего сгорания работает по циклу Аткинсона, при котором реализуются посредственные мощностные показатели на низких оборотах, соответственно достигается большая топливная экономичность и меньшие вредные выбросы.

В работе системы Hybrid Synergy Drive выделяются следующие режимы:

  1.  Режим электромобиля, при котором ДВС выключен, а аккумуляторная батарея питает электродвигатель.
  2.  Режим движения с постоянной (крейсерской) скоростью, при котором мощность от ДВС распределяется между ведущими колесами и генератором. Генератор в свою очередь питает электродвигатель, мощность которого суммируется с мощностью ДВС. При необходимости производится зарядка аккумуляторной батареи.
  3.  Форсированный режим, при котором к ДВС присоединяется электродвигатель, питающийся от аккумуляторной батареи, обеспечивая импульс мощности.
  4.  Экономичный режим, при котором аккумуляторная батарея питает генератор. Генератор преобразует электрическую энергию в механическую, замедляя вращение ДВС. При этом крутящий момент двигателя не уменьшается, а достигается топливная экономичность.
  5.  Режим торможения, при котором электродвигатель работает как генератор, а электроэнергия используется для вращения солнечной шестерни в противоположную сторону, замедляя скорость движения автомобиля.
  6.  Режим зарядки аккумулятора, осуществляющийся с помощью ДВС и генератора.

Электрический автомобиль, хотим мы этого или нет, является безусловным и неотвратимым будущим автомобилестроения, при этом будущим ближайшим. Многие производители по всему миру вкладывают значительные средства в разработку электромобилей, чему способствует неуклонный рост цен на нефтепродукты, необходимость снижения вредных выбросов от автомобиля, а также разработки устройств хранения энергии, технологий энергопотребления.

В настоящее время крупнейшими рынками электрических автомобилей являются США, Япония, Китай и ряд европейских стран (Франция, Нидерланды, Норвегия, Германия, Великобритания). Из производителей электрокаров выделяются компании Nissan (Leaf), Mitsubishi (I MiEV), Toyota (RAV4EV), Honda (FitEV), Ford (Focus Electric), Tesla (Roadster и Model S), Renault (Fluence Z.E. и ZOE), BMW (Active C), Volvo (C30 Electric). Наша страна пока находится в стороне и от производства и от потребления электромобилей, за исключением разработок отдельных энтузиастов (известная Lada Ellada не в счет, она построена на импортных комплектующих).

Под термином «электрический автомобиль» или «электромобиль»понимается транспортное средство, которое приводится в движение одним или несколькими электрическими двигателями. При этом питание электромотора может осуществляться от аккумуляторной батареи, солнечной батареи или топливных элементов. Наибольшее распространение получила конструкция электромобиля с питанием от аккумуляторной батареи.

Аккумуляторная батарея требует регулярной зарядки, которая может осуществляться от внешних источников тока, путем рекуперации энергии торможения, а также от генератора на борту электромобиля. Генератор приводится от двигателя внутреннего сгорания, но такая схема, по сути, электромобилем уже не является, а относится к одной из разновидностей гибридного автомобиля.

Работа по созданию электрических автомобилей ведется в двух направлениях - разработка новых моделей и адаптация серийных автомобилей. Последнее направление более предпочтительное, т.к. менее затратное. Выпускаемые электромобили в зависимости от предназначения можно разделить на три группы:

  1.  городские электромобили (максимальная скорость до 100 км/ч);
  2.  шоссейные электромобили (максимальная скорость свыше 100 км/ч);
  3.  спортивные электромобили (максимальная скорость свыше 200 км/ч).

Устройство электрического автомобиля

В отличие от автомобиля с двигателем внутреннего сгорания электромобиль имеет более простую конструкцию, включающую минимальное количество движущихся частей, а значит более надежную.

Основными конструктивными элементами электрического автомобиля являются:

  1.  аккумуляторная батарея;
  2.  электродвигатель;
  3.  трансмиссия;
  4.  бортовое зарядное устройство;
  5.  инвертор;
  6.  преобразователь постоянного тока;
  7.  электронная система управления.

Схема электрического автомобиля

Тяговая аккумуляторная батареяобеспечивает питание электродвигателя. На электромобиле, в основном, используются литий-ионная аккумуляторная батарея, которая состоит из ряда соединенных последовательно модулей. На выходе аккумуляторной батареи снимается напряжение постоянного тока порядка 300В. Емкость батареи должна соответствовать мощности электродвигателя.

Одним из основных элементов электромобиля являетсяэлектродвигатель, который служит для создания необходимого для движения крутящего момента. В качестве тягового электродвигателя используют трехфазные синхронные (асинхронные) электрические машины переменного тока мощностью от 15 до 200 и более кВт. В сравнении с ДВС электродвигатель имеет высокую эффективность и меньшие потери энергии. КПД электродвигателя составляет 90% против 25% у ДВС.

Основными преимуществами электродвигателя являются:

  1.  реализация максимального крутящего момента во всем диапазоне скоростей;
  2.  возможность работы в двух направлениях без дополнительных устройств;
  3.  простота конструкции, воздушное охлаждение;
  4.  возможность работы в режиме генератора.

В ряде конструкций электромобилей используется несколько электродвигателей, которые приводят отдельные колеса, что значительно повышают тяговую мощность транспортного средства. Электродвигатель может быть помещен непосредственно в колесо автомобиля, сокращая до минимума трансмиссию. Но такая схема электромобиля увеличивает неподрессоренные массы и ухудшает управляемость.

Трансмиссия электромобиля достаточно проста и на большинстве моделей представлена одноступенчатым зубчатым редуктором.Бортовое зарядное устройство позволяет заряжать аккумуляторную батарею от бытовой электрической сети.Инвертор преобразует высокое напряжение постоянного тока аккумуляторной батареи в трехфазное напряжение переменного тока, необходимое для питания электродвигателя.

Преобразователь постоянного тока обеспечивает зарядку дополнительной двенадцативольтовой аккумуляторной батареи, которая используется для питания различных потребителей электроэнергии (электроусилитель рулевого управления, электрический отопитель салона, кондиционер, система освещения,стеклоочистителиаудиосистема и др.)

Электронная система управления выполняет в электрическом автомобиле несколько функций, направленных на обеспечение безопасности, энергосбережение и комфорт пассажиров:

  1.  управление высоким напряжением;
  2.  регулирование тяги;
  3.  обеспечение оптимального режима движения;
  4.  управление плавным ускорением;
  5.  оценка заряда аккумуляторной батареи;
  6.  управление рекуперативным торможением;
  7.  контроль использования энергии.

Конструктивно система объединяет ряд входных датчиков, блок управления и исполнительные устройства различных систем электромобиля. Входные датчики оценивают положение педали газа, педали тормоза, селектора переключения передач, давление в тормозной системе, степень заряда аккумуляторной батареи. На основании сигналов датчиков блок управления обеспечивает оптимальное для конкретных условий движение электромобиля. Основные параметры работы электромобиля (потребление энергии, восстановление энергии, остаточный заряд аккумуляторной батареи) визуально отображаются на панели приборов.

Эксплуатация электромобиля

Несмотря на внешнее сходство и аналогичные органы управления, эксплуатация электромобиля существенным образом отличается от эксплуатации автомобиля с двигателем внутреннего сгорания. Именно эксплуатационные проблемы сдерживают массовое использование электромобиля, среди которых:

  1.  высокая стоимость;
  2.  ограниченная автономность;
  3.  значительное время заряда аккумуляторов.

Высокую стоимость автомобиля во многом определяет цена аккумуляторной батареи. Несмотря на отличные эксплуатационные характеристики, литий-ионная аккумуляторная батарея очень дорогая в производстве и помимо этого имеет ограниченный ресурс (5-7 лет). Это заставляет разрабатывать новые источники тока (топливные элементы), способы хранения энергии (суперконденсаторы, маховики), совершенствовать конструкцию тяговых аккумуляторных батарей (литий-полимерные аккумуляторы).

Текущие расходы на содержание электрического автомобиля значительно ниже (в 3-4 раза) расходов на содержание автомобиля с ДВС и зависят, в основном, от стоимости электроэнергии. Эксплуатация электромобиля экономически выгодна в странах, где производство электроэнергии в меньшей степени зависит от ископаемого топлива.

Одна из самых серьезных проблем эксплуатации электромобиля егоневысокая степень автономности. Величина пробега электромобиля без подзарядки зависит от многих факторов: емкости аккумуляторной батареи, характера и условий движения, стиля вождения, степени использования вспомогательных систем. В настоящее время средняя дальность использования электромобиля составляет порядка 150 км при скорости движения 70 км/ч. При движении с большей скоростью, пробег резко уменьшается, например, при скорости 130 км/ч (нормальная шоссейная скорость) он составляет уже 70 км. Именно поэтому электромобиль в большинстве своем позиционируется как транспортное средство для городских поездок.

Современные технологии позволяют увеличить степень автономности электромобиля до 300 и более км, среди которых следует отметитьсистему рекуперативного торможения (возвращает до 30% затрачиваемой энергии), аккумуляторы повышенной емкости, электронная оптимизация процессов движения.

Неотъемлемым атрибутом эксплуатации электромобиля является необходимость периодической зарядки аккумуляторной батареи, которая занимает много времени. Решение данной проблемы реализуется по нескольким направлениям:

  1.  нормальная зарядка аккумуляторной батареи (осуществляется от бытовой электрической сети мощностью 3-3,5 кВт, предполагает установку на электромобиле специального зарядного устройства, продолжительность до полной зарядки батареи составляет 8 часов);
  2.  ускоренная зарядка аккумуляторной батареи (производится на специальных станциях мощностью до 50 кВт, продолжительность зарядки до 80% емкости батареи составляет 30 минут);
  3.  замена разряженной аккумуляторной батареи на заряженную батарею (выполняется автоматически на специальных обменных станциях).

Реализация указанных направлений требует развития инфраструктуры (зарядных и обменных станций, мест парковки), стандартизации технических решений, разработки правил для поставщиков услуг.

В соответствии с предназначением кривошипно-шатунный механизм (сокращенное название – КШМ) воспринимает давление газов, возникающих при сгорании топливно-воздушной смеси в цилиндрах двигателя, и преобразует его в механическую работу по вращению коленчатого вала.

Кривошипно-шатунный механизм состоит из следующих основных элементов:

  1.  поршни;
  2.  шатуны;
  3.  гильзы (втулки) цилиндров;
  4.  коленчатый вал;
  5.  маховик.

Устройство кривошипно-шатунного механизма

Поршень воспринимает давление расширяющихся при высокой температуре газов и передает его на шатун. Поршень изготавливается из алюминиевых сплавов. Возвратно-поступательное движение поршня осуществляется в гильзе цилиндра.

Поршень состоит из единых головки и юбки. Головка поршня может иметь различную форму (плоскую, выпуклую, вогнутую и др.), в ней также может быть выполнена камера сгорания (дизельные двигатели). В головке нарезаны канавки для размещения поршневых колец. На современных двигателях используется два типа колец: маслосъемные и компрессионные. Компрессионные кольца препятствуют прорыву газов в картер двигателя. Маслосъемные кольца удаляют излишки масла на стенках цилиндра. В юбке выполнены две бобышки для размещения поршневого пальца, который соединяет поршень с шатуном.

Шатун передает усилие от поршня к коленчатому валу, для этого он имеет шарнирное соединение и с поршнем и с коленчатым валом. Шатуны изготавливаются, как правило, из стали путем штамповки или ковки. Шатуны двигателей спортивных автомобилей отлиты из сплава титана.

Конструктивно шатун состоит из верхней головки, стержня и нижней головки. В верхней головке размещается поршневой палец. Предусматривается вращение поршневого пальца в головке шатуна и бобышках поршня. Такой палец имеет название «плавающий». Стержень шатуна имеет двутавровое сечение. Нижняя головка выполнена разборной, что позволяет обеспечить соединение с шейкой коленчатого вала. Современной технологией являетсяконтролируемое раскалывание цельной нижней головки шатуна. Благодаря неповторимой поверхности излома обеспечивается высокая точность соединения частей нижней головки.

Коленчатый вал воспринимает усилия от шатуна и преобразует их в крутящий момент. Коленчатые валы изготавливаются из высокопрочного чугуна и стали. Коленчатый вал состоит из коренных и шатунных шеек, соединенных щеками. Щеки выполняют функцию уравновешивания всего механизма. Коренные и шатунные шейки вращаются в подшипниках скольжения, выполненных в виде разъемных тонкостенных вкладышей. Внутри шеек и щек коленчатого вала просверлены отверстия для прохода масла, которое к каждой их шеек подается под давлением.

На конце коленчатого вала устанавливается маховик. В настоящее время применяются т.н. двухмассовые маховики, представляющие собой упруго соединенных два диска. Через зубчатый венец маховика производится запуск двигателя стартером.

Для предотвращения крутильных колебаний (чередующееся закручивание и раскручивание коленчатого вала) на другом конце коленчатого вала может устанавливаться гаситель крутильных колебаний. Гаситель колебаний состоит из двух металлических колец, соединенных через упругую среду (эластомер, вязкое масло). На внешнем кольце гасителя крутильных колебаний выполнен ременной шкив (звездочка цепи).

В совокупности поршень, шатун и гильза цилиндров образуютцилиндро-поршневую группу или просто цилиндр. Современный двигатель может иметь от одного до 16 (Bugatti Veyron) и более цилиндров.

Различают следующие компоновочные схемы расположения цилиндров в двигателе:

  1.  рядная (оси цилиндров расположены в одной плоскости);
  2.  V–образная (оси цилиндров расположены в двух плоскостях);
  3.  оппозитная (оси цилиндров расположены в двух плоскостях под углом 180°);
  4.  VR (оси цилиндров расположены в двух плоскостях под малым углом);
  5.  W–образная (две VR схемы, расположенных V-образно со смещением на одном коленчатом валу).

Компоновочная схема определяет уровень балансировки двигателя. Наилучшую балансировку имеет двигатель с оппозитным расположением цилиндров. Достаточно сбалансирован рядный четырехцилиндровый двигатель. V-образный двигатель имеет наилучшую балансировку при значении угла между цилиндрами 60° и 120°.

Для уменьшения вибрации в рядных двигателях применяютсябалансирные валы, расположенные под коленчатым валом в масляном поддоне.

В кривошипно-шатунном механизме поршень выполняет несколько функций, среди которых восприятие давления газов и передача усилий на шатун, герметизация камеры сгорания и отвод от нее тепла. Поршень является наиболее характерной деталью двигателя внутреннего сгорания, т.к. именно с его помощью реализуется термодинамический процесс двигателя.

Условия, в которых работает поршень, экстремальны и характеризуются высоким давлением, температурой и инерционными нагрузками. Поэтому поршни на современных двигателях изготавливаются из легкого, прочного и термостойкого материала – алюминиевого сплава, реже из стали. Поршни изготавливаются двумя способами – литьем под давлением или штамповкой, т.н. кованые поршни.

Схема поршня двигателя

Поршень цельный конструктивный элемент, который условно разделяют на головку (в некоторых источниках ее называют днище) и юбку. Форма и конструкция поршня в значительной степени определяются типом двигателя, формой камеры сгорания и процессом сгорания, протекающим в ней. Поршень бензинового двигателя имеет плоскую или близкую к плоской поверхность головки. В ней могут быть выполнены канавки для полного открытия клапанов. Поршни двигателей с непосредственным впрыском топлива имеют более сложную форму. В головке поршня дизельного двигателя выполняется камера сгорания определенной формы, которая обеспечивает хорошее завихрение и улучшает смесеобразование.

Ниже головки поршня выполняются канавки для установки поршневых колец. Юбка поршня имеет конусообразную или криволинейную (бочкообразную) форму. Такая форма юбки компенсирует температурное расширение поршня при нагреве. При достижении рабочей температуры двигателя поршень принимает цилиндрическую форму. Для снижения потерь на трение на боковую поверхность поршня наносится слой антифрикционного материала (дисульфид молибдена, графит). В юбке поршня выполнены отверстия с приливами (бобышки) для крепления поршневого пальца.

Охлаждение поршня осуществляется со стороны внутренней поверхности различными способами:

  1.  масляный туман в цилиндре;
  2.  разбрызгивание масла через отверстие в шатуне;
  3.  разбрызгивание масла специальной форсункой;
  4.  впрыскивание масла в специальный кольцевой канал в зоне колец;
  5.  циркуляция масла по трубчатому змеевику в головке поршня.

Поршневые кольца образуют плотное соединение поршня со стенками цилиндра. Они изготавливаются из модифицированного чугуна. Поршневые кольца основной источник трения в двигателе внутреннего сгорания. Потери на трение в кольцах достигают до 25% всех механических потерь в двигателе.

Число и расположение колец зависит от типа и назначения двигателя. Самая распространенная схема – два компрессионных и одно маслосъемное кольцо. Компрессионные кольцапрепятствуют прорыву газов из камеры сгорания в картер двигателя. Первое компрессионное кольцо работает в наиболее тяжелых условиях. Поэтому на поршнях дизельных и ряда форсированных бензиновых двигателей в канавке кольца устанавливается стальная вставка, повышающая прочность и позволяющая реализовать максимальную степень сжатия. Компрессионные кольца могут иметь трапециевидную, бочкообразную, коническую форму, некоторые выполняются с порезом (вырезом).

Маслосъемное кольцо удаляет излишки масла с поверхности цилиндра и препятствует попаданию масла в камеру сгорания. Кольцо имеет множество дренажных отверстий. Некоторые конструкции колец имеют пружинный расширитель.

Соединение поршня с шатуном осуществляется с помощью поршневого пальца, который имеет трубчатую форму и изготавливается из стали. Имеется несколько способ установки поршневого пальца. Самый популярный т.н. плавающий палец, который имеет возможность проворачиваться в бобышках и поршневой головке шатуна во время работы. Для предотвращения смещения пальца он фиксируется стопорными кольцами. Значительно реже применяется жесткое закрепление концов пальца в поршне или жесткое закрепление пальца в поршневой головке шатуна.

Поршень, поршневые кольца и поршневой палец носят устоявшееся название поршневая группа

Шатун образует важное звено между поршнем и коленчатым валом, преобразуя поступательное движение первого во вращательное движение последнего.

В двигателе шатун подвергается воздействию значительных переменных нагрузок, изменяющихся от растяжения к сжатию. Поэтому он должен быть прочным, жестким и легким. Шатуны изготавливаются из стали литьем или горячей штамповкой. На спортивных автомобилях могут устанавливаться шатуны из титанового сплава.

Конструкция шатуна различается в зависимости от типа двигателя и его компоновочной схемы. Длина шатуна во многом определяет высоту двигателя. Шатун условно разделяется на три части: стержень, поршневую и кривошипную головки.

Стержень шатуна имеет, как правило, двутавровое сечение. Встречаются шатуны с круглым, прямоугольным, крестообразным, Н-образным сечением стержня. Для подачи масла к подшипнику поршневой головки в стержне шатуна выполнен канал.

Поршневая головка представляет собой цельную проушину, в которую с натягом установлена втулка – подшипник скольжения для вращения поршневого пальца. Втулка изготавливается бронзовой или биметаллической (сталь со свинцом, оловом). Устройство поршневой головки определяется размером поршневого пальца и способом его крепления. Для снижения массы шатуна и уменьшения нагрузки на поршневой палец на некоторых двигателях используются шатуны с трапециевидной формой поршневой головки.

Кривошипная головка обеспечивает соединение шатуна с коленчатым валом. На большинстве двигателей кривошипная головка выполняется разъемной, что обусловлено технологией сборки ДВС. Нижняя часть головки (крышка) соединяется с шатуном с помощью болтов. Реже используется штифтовое или бандажное соединение частей кривошипной головки. Разъем может быть прямым (перпендикулярный оси стержня) или косым (под углом к оси стержня). Косой разъем применяется, в основном, на V-образных двигателях и позволяет сделать блок двигателя более компактным.

Для противодействия поперечным силам стыковые поверхности кривошипной головки выполняются профилированными. Различают зубчатое, замковое (прямоугольные выступы) соединение. Самым популярным в настоящее время является соединение частей головки, полученное способом контролированного раскалывания, т.н. сплит-разъем. Разлом обеспечивает высокую точность стыковки частей.

Толщина кривошипной головки определяет длину блока цилиндров. Особенно это актуально для V- и W-образных двигателей. К примеру, толщина нижней головки шатуна двигателя W12 от Audi составляет всего 13 мм.

В кривошипной головке размещается шатунный подшипник, состоящий из двух вкладышей. Вкладыши изготавливаются многослойными – двух-, трех-, четырех- и даже пятислойными. Самые ходовые двух- и трехслойные вкладыши. Двухслойный вкладыш представляет собой стальную основу, на которую нанесено антифрикционное покрытие. В трехслойном вкладыше стальную основу и антифрикционный слой разделяет изоляционная прокладка.

Коленчатый вал – один из наиболее ответственных и дорогостоящих конструктивных элементов двигателя внутреннего сгорания. Он преобразует возвратно-поступательное движение поршней в крутящий момент. Коленчатый вал воспринимает периодические переменные нагрузки от сил давления газов, а также сил инерции движущихся и вращающихся масс.

Коленчатый вал двигателя, как правило, цельный конструктивный элемент, поэтому правильно его называть деталью. Вал изготавливается из стали с помощью ковки или чугуна путем литья. На дизельных и турбированных двигателях устанавливаются более прочные стальные коленчатые валы.

Схема коленчатого вала

Конструктивно коленчатый вал объединяет несколько коренных и шатунных шеек, соединенных между собой щеками. Коренных шеек, как правило, на одну больше, а вал с такой компоновкой называется полноопорным. Коренные шейки имеют больший диаметр, чем шатунные шейки. Продолжением щеки в противоположном от шатунной шейки направлении является противовес. Противовесы уравновешивают вес шатунов и поршней, тем самым обеспечивают плавную работу двигателя.

Шатунная шейка, расположенная между двумя щеками, называетсяколеном. Колена располагаются в зависимости от числа, расположения и порядка работы цилиндров, тактности двигателя. Положение колен должно обеспечивать уравновешенность двигателя, равномерность воспламенения, минимальные крутильные колебания и изгибающие моменты.

Шатунная шейка служит опорной поверхностью для конкретного шатуна. Коленчатый вал V-образного двигателя выполняется с удлинёнными шатунными шейками, на которых базируется два шатуна левого и правого рядов цилиндров. На некоторых валах V-образных двигателей спаренные шатунные шейки сдвинуты относительно друг друга на угол 18°, что обеспечивает равномерность воспламенения (технология носит название Split-pin).

Наиболее нагруженным в конструкции коленчатого вала является место перехода от шейки (коренной, шатунной) к щеке. Для снижения концентрации напряжений переход от шейки к щеке выполняется с радиусом закругления (галтелью). Галтели в совокупности увеличивают длину коленчатого вала, для уменьшения длины их выполняют с углублением в щеку или шейку.

Вращение коленчатого вала в опорах, а шатунов в шатунных шейках обеспечивается подшипниками скольжения. В качестве подшипников применяются разъемные тонкостенные вкладыши, которые изготавливаются из стальной ленты с нанесенным антифрикционным слоем. Проворачиванию вкладышей вокруг шейки препятствует выступ, которым они фиксируются в опоре. Для предотвращения осевых перемещений коленчатого вала используется упорный подшипник скольжения, который устанавливается на средней или крайней коренной шейке.

Схема системы смазки

Коренные и шатунные шейки включены в систему смазки двигателя. Они смазываются под давлением. К каждой опоре коренной шейки обеспечивается индивидуальный подвод масла от общей магистрали. Далее масло по каналам в щеках подается к шатунным шейкам.

Отбор мощности с коленчатого вала производится с заднего конца (хвостовика), к которому крепитсямаховик. На переднем конце (носке) коленчатого вала располагаются посадочные места, на которых крепятся шестерня (звездочка) привода распределительного вала, шкив привода вспомогательных агрегатов, а также в ряде конструкций – гаситель крутильных колебаний. По конструкции это два диска и соединяющий их упругий материал (резина, силиконовая жидкость, пружина), который поглощает вибрации вала за счет внутреннего трения.

Маховик можно отнести сразу к нескольким системам двигателя, т.к. в интересах этих систем он выполняет отдельные функции:

  1.  снижение неравномерности вращения коленчатого вала (маховик - конструктивный элемент кривошипно-шатунного механизма);
  2.  передача крутящего момента от двигателя к коробке передач (маховик – ведущий диск сцепления);
  3.  передача крутящего момента от стартера на коленчатый вал двигателя (маховик – ведомая шестерня редуктора системы запуска).

Сглаживание пульсаций крутящего момента производится за счет периодического накопления и отдачи кинетической энергии маховиком. Энергия запасается во время рабочего хода поршня и расходуется при других тактах двигателя, в т.ч. на выведение поршней из мертвых точек. Чем больше цилиндров в двигателе, тем рабочий ход поршня в каждом из них занимает больше времени, следовательно, крутящий момент такого двигателя более равномерный, а масса маховика может быть уменьшена.

Маховик крепиться в торце коленчатого вала возле заднего коренного подшипника. Это, как правило, самый мощный подшипник в двигателе, так как он должен выдерживать вес маховика и нагрузки, связанные с его работой.

Различают следующие виды конструкции маховиков:

  1.  сплошной;
  2.  двухмассовый;
  3.  облегченный.

Наибольшее распространение на автомобилях нашел маховик сплошной конструкции. Это массивный диск диаметром от 30 до 40 сантиметров, выполненный из чугуна. На внешнюю поверхность диска напрессован стальной зубчатый венец, обеспечивающий проворачивание коленчатого вала при запуске двигателя с помощью стартера. С одной стороны маховика выполнена ступица для крепления к фланцу коленчатого вала, другая сторона играет роль ведущего диска сцепления.

При работе двигателя на разных оборотах коленчатый вал постоянно закручивается и раскручивается, т.е. подвергается крутильным колебаниям. В двигателе применяются гасители крутильных колебаний. Одной из таких систем является маховик особой конструкции – т.н. двухмассовый маховик (другое название –демпферный маховик).

Устройство двухмассового маховика

Маховик включает два диска, соединенные с помощью пружинно-демпферной системы, позволяющей полностью изолировать трансмиссию от крутильных колебаний и обеспечить равномерную работу ее элементов. С применением двухмассового маховика отпадает необходимость демпфирующего устройства в ведомом диске сцепления.

Преимуществами двухмассового маховика являются гашение вибраций, изоляция шумов, удобство переключения передач, снижение износа синхронизаторов, защита трансмиссии от перегрузки и даже экономия топлива. С другой стороны интенсивная работа двухмассового маховика приводит к усиленному износу пружинно-демпферной системы и даже поломке ее основного элемента - дуговой пружины. Все это сдерживает массовое применение демпферного маховика на двигателях.

Облегченный маховик используется при тюнинге двигателя. Перераспределение массы маховика к краям диска позволяет уменьшить его массу до 1,5 кг и в свою очередь уменьшить момент инерции. С применением облегченного маховика двигатель быстрее достигает максимальных оборотов, соответственно имеет лучшую разгонную динамику, а также наблюдается увеличение мощности до 5%.

Работа кривошипно-шатунного механизма сопровождается возникновением сил инерции от движения его конструктивных элементов. Различают силы инерции возвратно-поступательно движущихся масс (поршни) и вращающихся масс (шатуны). В многоцилиндровом двигателе силы инерции в отдельных цилиндрах создают еще и моменты инерции в продольной плоскости. В совокупности силы и моменты вызывают вибрацию двигателя, которая передается на кузов и сопровождается повышенным уровнем шума, перегрузками и увеличением износа элементов.

Для противодействия вибрации производится уравновешивание(балансировка) двигателя. Наиболее распространенным способом балансировки является установка дополнительных противовесов на щеках коленчатого вала. Вместе с тем данный способ не позволяет уравновесить силы инерции, возникающие в двигателях различных компоновочных схем. Так, в четырехцилиндровом рядном двигателе неуравновешенными остаются силы инерции второго порядка (силы, возникающие при движении масс с удвоенной частотой коленчатого вала). При этом величина сил инерции увеличивается с ростом объема двигателя.

Для уравновешивания сил инерции второго порядка в четырехцилиндровых рядных двигателях рабочим объемом 2,0 и более литра применяются дополнительные валы с противовесами – т.н. балансирные валы. Впервые балансирные валы на своих автомобилях применила в 1976 году компания Mitsubishi, технология получила название Silent Shaft(бесшумный вал). В настоящее время балансирные валы достаточно широко используются в продукции других автопроизводителей – VW, Audi, BMW, Mercedes-Benz, GM.

Балансирные валы устанавливаются попарно с одной и другой стороны коленчатого вала, как правило, симметрично. Наиболее предпочтительной в плане занимаемого объема является установка балансирных валов в картере двигателя ниже коленчатого вала. Балансирный вал представляет собой деталь сложной формы, обычно это металлический стержень с выбранными в нем пазами. Балансирный вал вращается в двух подшипниках скольжения, смазываемых в составе системы смазки двигателя.

Привод балансирных валов осуществляется непосредственно от коленчатого вала и обеспечивает вращение валов в разные стороны с удвоенной угловой скоростью. В качестве привода могут использоваться зубчатый редуктор, цепная передача или их комбинация. Для гашения крутильных колебаний, возникающих при вращении валов, в приводной звездочке цепного привода устанавливается пружинный гаситель колебаний.

В силу своей конструкции балансирные валы при работе испытывают значительные нагрузки. Особенно нагружены дальние от привода подшипники. Все это приводит к ускоренному износу подшипников, а также элементов привода. Износ сопровождается шумом, вибрацией и может привести к обрыву приводной цепи. Последствия для двигателя такой поломки несложно представить.

Ремонт балансирных валов – дорогое удовольствие. Поэтому отечественные умельцы просто от валов избавляются, а отверстия в картере закрывают заглушками. Вибрация, конечно, увеличивается, но опоры двигателя с ней неплохо справляются. Помимо повышенного износа, применение балансирных валов усложняет и удорожает конструкцию двигателя. При этом потери мощностидвигателя на их привод могут достигать 15 л.с.

Газораспределительный механизм (другое наименование – система газораспределения, сокращенное наименование – ГРМ) предназначен для обеспечения своевременной подачи в цилиндры двигателя воздуха или топливно-воздушной смеси (в зависимости от типа двигателя) и выпуска из цилиндров отработавших газов. Данные функции реализуются за счет своевременного открытия и закрытия клапанов.

На самых распространенных четырехтактных поршневых двигателях внутреннего сгорания применяются клапанные газораспределительные механизмы, поэтому устройство ГРМ рассмотрено именно на его примере.

Газораспределительный механизм имеет следующее общее устройство:

  1.  клапаны;
  2.  привод клапанов;
  3.  распределительный вал;
  4.  привод распределительного вала.

Схема газораспределительного механизма

Клапаны непосредственно осуществляют подачу в цилиндры воздуха (топливно-воздушной смеси) и выпуск отработавших газов. Клапан состоит из тарелки и стержня. На современных двигателях клапаны располагаются в головке блока цилиндров, а место соприкосновения клапана с ней называется седлом. Различают впускные и выпускные клапаны. Для лучшего наполнения цилиндров диаметр тарелки впускного клапана, как правило, больше, чем выпускного.

Клапан удерживается в закрытом состоянии с помощью пружины, а открывается при нажатии на стержень. Пружина закреплена на стержне с помощью тарелки пружины и сухарей. Клапанные пружины имеют определенную жесткость, обеспечивающую закрытие клапана при работе. Для предупреждения резонансных колебаний на клапанах может устанавливаться две пружины меньшей жесткости, имеющие противоположную навивку.

Клапаны изготавливаются из сплавов металлов. Рабочая кромка тарелки клапана усилена. Стержень впускного клапана, как правило, полнотелый, а выпускного – полый, с натриевым наполнением для лучшего охлаждения.

Большинство современных ДВС имеют по два впускных и два выпускных клапана на каждый цилиндр. Помимо данной схемы ГРМ используется: двухклапанная схема (один впускной, один выпускной), трехклапанная схема (два впускных, один выпускной), пятиклапанная схема (три впускных, два выпускных). Использование большего числа клапанов ограничивается размером камеры сгорания и сложностью привода.

Открытие клапана осуществляется с помощью привода, обеспечивающего передачу усилия от распределительного вала на клапан. В настоящее время применяются две основные схемы привода клапанов:

  1.  гидравлические толкатели;
  2.  роликовые рычаги.

Роликовые рычаги в качестве привода клапанов более предпочтительны, т.к. имеют меньшие потери на трение и меньшую массу. Роликовый рычаг (другие наименования – коромысло, рокер, от английского «коромысло») одной стороной опирается на стержень клапана, другой – на гидрокомпенсатор (в некоторых конструкциях на шаровую опору). Для снижения потерь на трение место сопряжения рычага и кулачка распределительного вала выполнено в виде ролика.

С помощью гидрокомпенсаторов в приводе клапанов реализуется нулевой тепловой зазор во всех положениях, обеспечивается меньший шум и мягкость работы. Конструктивно гидрокомпенсатор состоит из цилиндра, поршня с пружиной, обратного клапана и каналов для подвода масла. Гидравлический компенсатор, расположенный непосредственно на толкателе клапана, носит название гидравлического толкателя (гидротолкателя).

Распределительный вал обеспечивает функционирование газораспределительного механизма в соответствии с принятым для данного двигателя порядком работы цилиндров и фазами газораспределения. Он представляет собой вал с расположенными кулачками. Форма кулачков определяет фазы газораспределения, а именно моменты открытия-закрытия клапанов и продолжительность их работы. Существенное повышение эффективности ГРМ, а следовательно и улучшение характеристик двигателя дают различные системы изменения фаз газораспределения.

На современных двигателях распределительный вал расположен в головке блока цилиндров. Он вращается в подшипниках скольжения, выполненных в виде опор. Используются как разъемные опоры, так и неразъемные (вал вставляется с торца). В некоторых двигателях в опорах используются тонкостенные вкладыши. От перемещения в продольном направлении распределительный вал удерживается упорным подшипником, который располагается со стороны привода вала. К опорам распределительного вала по индивидуальным каналам и под давлением подается масло из системы смазки.

Схема системы смазки

Различают две схемы расположения распределительного вала в головке блока цилиндров:

  1.  одновальная – SOHC (Single OverHead Camshaft);
  2.  двухвальная - DOHC (Double OverHead Camshaft).

В связи с широким применением четырех клапанов на один цилиндр предпочтение отдается двухвальной схеме ГРМ (один распределительный вал обеспечивает привод впускных клапанов, другой вал – выпускных). В V-образном двигателе устанавливается четыре распределительных вала - по два на каждый ряд цилиндров.

Распределительный вал приводится в действие от коленчатого вала с помощью привода, который осуществляет его вращение в два раза медленнее коленчатого вала (за один цикл работы двигателя конкретный клапан открывается только один раз). В качествепривода распределительного вала используются ременная, цепная и зубчатая передачи.

Ременная и цепная передачи приводят в действие распределительный вал, расположенный в головке блока цилиндров. Зубчатая передача вращает, как правило, распределительный вал в блоке цилиндров. В обиходе зубчатая передача привода распределительного вала носит название "гитара" (по форме двух соединенных шестерен).

Ременная и цепная передачи имеют как достоинства, так и недостатки, поэтому в ГРМ применяются на равных. Цепной приводболее надежный и, соответственно, долговечный. Но цепь тяжелее ремня, поэтому требует дополнительных устройств для натяжения (натяжные ролики,) и гашения колебаний (успокоители). Натяжные ролики обеспечивают натяжение с помощью пружины и за счет давления масла в системе смазки. В качестве цепного привода распределительного вала используются одно- и двухрядные роликовые цепи. Постепенно их вытесняют зубчатые цепи, которые взаимодействуют с зубьями звездочки щеками особой формы. Помимо распределительного вала с помощью цепи может осуществляться привод масляного насосабалансирных валов.

Ременной привод не требует смазки, поэтому на шкивы устанавливается открыто. Вместе с тем, ремень в сравнении с цепью имеет ограниченный ресурс. Правда этот ресурс не такой уж и малый. Современные ремни "пробегают" 100-150 тыс.км. В качестве ременного привода распределительного вала широко используются зубчатые ремни. Выступы на внутренней поверхности зубчатого ремня входят в зацепление с зубьями на шкивах (шестернях), тем самым обеспечивается вращение. Надвигателях TDI используется эллиптическая шестерня привода зубчатого ремня, что позволяет снизить тяговые усилия и крутильные колебания распределительного вала. Наряду с распределительным валом зубчатый ремень может приводить масляный насос, насос охлаждающей жидкоститопливный насос высокого давления.

Десмодромным называется вид газораспределительного механизма, обеспечивающий непосредственное управление подъемом и опусканием клапанов, чем достигается их своевременное открытие и закрытие на всех оборотах коленчатого вала двигателя.

Десмодромный механизма получил свое название от двух греческих слов desmos (управление, связь, контроль) и dromos (действие, движение) – «управляемое движение».

В 50-е годы прошлого века десмодромная схема газораспределения применялась на гоночных автомобилях Mercedes-Benz. В настоящее время десмодромный механизм используется в двигателях внутреннего сгорания, устанавливаемых на гоночных мотоциклахDucati, и является визитной карточкой фирмы.

Десмодромный механизм имеет общепринятое международное название Desmodromic.

Управляемое движение клапана в десмодромном механизме осуществляется с помощью специального привода, который включает:

  1.  распределительный вал с кулачками специальной формы (по другой схеме – два распределительных вала, один на закрытие, другой на открытие клапанов);
  2.  два коромысла, обеспечивающих открытие и закрытие каждого клапана;
  3.  элементов соединения (шайб) коромысла с клапаном.

Схема десмодромного механизма

Применение десмодромного механизма позволяет предотвратить, т.н.«зависание клапанов» (неполное закрытие клапана до достижения поршнем верхней мертвой точки), возникающее вследствие высокой частоты вращения коленчатого вала двигателя, инерции клапана и резонанса пружины. Зависание клапанов может привести к серьезным проблемам:

  1.  столкновение поршня с клапаном, и как следствие их разрушение;
  2.  перегрев клапанов, и как следствие их коробление и разрушение;
  3.  преждевременное воспламенение топливно-воздушной смеси, и как следствие уменьшение давления газов, снижение мощности двигателя, увеличение вредных выбросов.

Наряду с системой Desmodromic проблема зависания клапанов на современных двигателях решается и другими способами:

  1.  применением нескольких (двух-трех) пружин, расположенных одна в другой и предотвращающих резонансные колебания;
  2.  применением новых материалов и сплавов для изготовления клапанов и пружин, снижающих их вес;
  3.  использованием пневматического привода клапанов (на спортивных автомобилях Формулы-1).

Десмодромная схема газораспределения имеет ряд существенныхнедостатков, сдерживающих ее широкое применение:

  1.  высокая стоимость конструкции, обусловленная точностью сопряженных деталей;
  2.  сложность технического обслуживания, обусловленная наличием большого количества движущихся частей, склонных к износу;
  3.  высокий уровень шума;
  4.  громоздкость системы и как следствие применение на мотоциклетных двигателях.

Система Desmodromic не является идеальным техническим решением, но несмотря на это продолжает применяться по сей день.

Система управления цилиндрами (другие наименования – система отключения цилиндровсистема дезактивации цилиндров) предназначена для изменения рабочего объема двигателя за счет выключения из работы части цилиндров. Применение системы обеспечивает снижение расхода топлива до 20% и уменьшение вредных выбросов с отработавшими газами.

Предпосылкой разработки системы управления цилиндрами явился типовой режим эксплуатации автомобиля, при котором максимальная мощность используется до 30% за весь период работы. Таким образом, большую часть времени двигатель работает с неполной нагрузкой. В этих условиях дроссельная заслонка почти закрыта, а двигатель должен втягивать необходимое количество воздуха для работы. Это приводит к т.н. насосным потерям и дальнейшему снижению эффективности.

Система управления цилиндрами позволяет при небольшой нагрузке на двигатель отключить часть цилиндров, при этом для обеспечения необходимой мощности открывается дроссельная заслонка. В большинстве случаев система отключения цилиндров применяется на многоцилиндровых мощных двигателях (6, 8, 12 цилиндров), работа которых особенно неэффективна при небольших нагрузках.

Для того, чтобы выключить из работы конкретный цилиндр нужно выполнить два условия – перекрыть доступ воздуха и выпуск отработавших газов (закрыть впускной и выпускной клапаны) и перекрыть подачу топлива в цилиндр.

Регулирование подачи топлива в современных двигателях осуществляется с помощью электромагнитных форсунок с электронным управлением. Удержание в закрытом состоянии впускных и выпускных клапанов в конкретном цилиндре является достаточно сложной технической задачей, которую разные автопроизводители решают по-своему. Среди многообразия технических решений можно выделить три подхода:

  1.  применение толкателя специальной конструкции (системы Multi-Displacement System, Displacement on Demand);
  2.  возможность выключения коромысла (системы Active Cylinder Control, Variable Cylinder Management);
  3.  использование кулачков распределительного вала разной формы (система Active Cylinder Technology).

Принудительная дезактивация цилиндров помимо неоспоримых преимуществ имеет ряд недостатков, среди которых дополнительные нагрузки на двигатель, вибрации и нежелательный шум.

Для предупреждения дополнительных нагрузок на двигатель в камере сгорания выключенного двигателя остается заряд отработавших газов от предыдущего рабочего цикла. Газы сжимаются при движении поршня вверх и давят на поршень при его движении вниз, тем самым обеспечивается уравнительный эффект.

Для снижения вибрации используются специальные гидравлические опоры двигателя, двухмассовый маховик. Снижение уровня шума производится в выпускной системе, в которой подобраны длины труб и использованы передний и задний глушители с резонаторами разного размера.

Впервые система управления цилиндрами была применена в 1981 году на автомобилях Cadillac. Система имела электромагнитные катушки, установленные на коромыслах. Срабатывание катушки обеспечивало неподвижность коромысла, а клапаны при этом под действием пружин были закрыты. В системе отключались противоположные пары цилиндров. Управление работой катушки осуществлял электронный блок. Информация о числе находящихся в работе цилиндров выводилась на панель приборов. Система не получила широкого признания, так как имела проблемы с подачей топлива во все цилиндры, в том числе и выключенные.

Система Active Cylinder ControlACC применялась на автомобилях Mercedes-Benz с 1999 года. Закрытие клапанов цилиндров обеспечивало коромысло особой конструкции, состоящее из двух рычагов, соединенных фиксатором. В рабочем положении фиксатор соединяет два рычага в единое целое. При дезактивации – фиксатор освобождает соединение и каждый из рычагов получает возможность двигаться самостоятельно. Клапаны, при этом, под действием пружин закрыты. Перемещение фиксатора осуществляется давлением масла, которое регулирует специальный электромагнитный клапан. Топливо в отключаемые цилиндры не подается.

Для сохранения характерного звука работы многоцилиндрового двигателя при выключенных цилиндрах в выпускной системе установлен управляемый электроникой клапан, при необходимости изменяющий размер сечения выпускного тракта.

Система Multi-Displacement System,MDS устанавливается на автомобилях Chrysler, Dodge, Jeep с 2004 года. Система активируется (отключает цилиндры) при скорости свыше 30 км/ч и частоте вращения коленчатого вала двигателя до 3000 об/мин.

В системе MDS используется толкатель особой конструкции, который обеспечивает при необходимости разъединение распределительного вала и клапана (авторское название, дословно – устройство потери движения). В определенное время в толкатель под давлением подается масло и выдавливает блокирующий штифт, тем самым дезактивирует толкатель. Регулирование давления масла производится с помощью электромагнитного клапана.

Другая система управления цилиндрами Displacement on Demand,DoD (дословно – перемещение по требованию) аналогична предыдущей системе. Система DoD устанавливается на автомобили General Motors с 2004 года.

Отдельное место среди систем дезактивации цилиндров занимает система Variable Cylinder ManagementVCM от Honda, применяемая с 2005 года. При равномерном движении на небольшой скорости система VCM отключает один блок цилиндров V-образного двигателя (3 цилиндра из 6). При переходном режиме от максимальной мощности двигателя к неполной нагрузке система обеспечивает работу 4 цилиндров из шести.

Конструктивно система VCM базируется на системе изменения фаз газораспределения VTEC. Основу системы составляют коромысла, взаимодействующие с кулачками различной формы. При необходимости коромысла включаются или выключаются из работы блокирующим механизмом (фиксатором).

В помощь системе VCM разработаны другие системы. Система Active Engine Mounts регулирует величину вибраций двигателя. Система активного шумоподавления Active Sound Control позволяет избавиться от нежелательный шумов в салоне автомобиля.

Система Active Cylinder Technology, ACT используется на автомобилях концерна Volkswagen с 2012 года. Объектом установки системы является двигатель TSI объемом 1,4 литра. Система ACT обеспечивает отключение двух цилиндров из четырех в пределе 1400-4000 об/мин.

Конструктивно система ACT базируется на системе изменения фаз газораспределения Valvelift System, реализованной в свое время на двигателях Audi. Система использует в своей работе кулачки различной формы, расположенные на скользящей по распределительному валу муфте. Кулачки и муфта образуют блок кулачков. Всего в двигателе четыре блока - два на впускном распредвале и два на выпускном вале.

Блоки кулачков перемещаются четырьмя исполнительными механизмами. Для перемещения блока в исполнительном механизме имеется стержень, который скользит по спиралевидной канавке блока и перемещает его. Исполнительные механизмы срабатывают по команде блока управления двигателем.

Степень сжатия – важная характеристика двигателя внутреннего сгорания, определяемая отношением объема цилиндра при нахождении поршня в нижней мертвой точке к объему в верхней мертвой точке (объему камеры сгорания). Повышение степени сжатия создает благоприятные условия для воспламенения и сгорания топливно-воздушной смеси и, соответственно, эффективного использования энергии. Вместе с тем, работа двигателя на разных режимах и разных топливах предполагает разную величину степени сжатия. Эти свойства в полной мере используются системой изменения степени сжатия.

Система обеспечивает повышение мощности и крутящего момента двигателя, снижение расхода топлива и вредных выбросов. Основная заслуга системы изменения степени сжатия в способности работы двигателя на разных марках бензина и даже разных топливах без ухудшения характеристик и детонации.

Создание двигателя с переменной степенью сжатия достаточно сложная техническая задача, в решении которой существует несколько подходов, заключающихся в изменении объема камеры сгорания. В настоящее время имеются опытные образцы таких силовых установок.

Пионером в создании двигателя с переменной степенью сжатия является фирма SAAB, представившая в 2000 году пятицилиндровый двигатель внутреннего сгорания, оборудованный системой Variable Compression. В двигателе использована объединенная головка блока цилиндров с гильзами цилиндров. Объединенный блок с одной стороны закреплен на валу, с другой взаимодействует с кривошипно-шатунным механизмом. КШМ обеспечивает смещение объединенной головки от вертикальной оси на 4°, чем достигается изменение степени сжатия в пределе от 8:1 до 14:1.

Необходимое значение степени сжатия поддерживается системой управления двигателем в зависимости от нагрузки (при максимальной нагрузке – минимальная степень сжатия, при минимальной – максимальная степень сжатия). Несмотря на впечатляющие результаты двигателя по мощности и крутящему моменту, силовая установка не пошла в серию, а работы по ней в настоящее время свернуты.

Более современной разработкой (2010 год) является 4-х цилиндровый двигатель от MCE-5 Development объемом 1,5 л. Помимо системы изменения степени сжатия двигатель оснащен другими прогрессивными системами – непосредственного впрыска иизменения фаз газораспределения.

Схема двигателя с переменной степенью сжатия MCE-5

Конструкция двигателя предусматриваетнезависимое изменение величины хода поршня в каждом цилиндре. Зубчатый сектор, выполняющий роль коромысла, с одной стороны взаимодействует с рабочим поршнем, с другой – с поршнем управления. Коромысло рычагом соединено с коленчатым валом двигателя.

Зубчатый сектор перемещается под действием поршня управления, выполняющего роль гидроцилиндра. Объем над поршнем заполнен маслом, объем которого регулируется клапаном. Перемещение сектора обеспечивает изменение положения верхней мертвой точки поршня, чем достигается изменение объема камеры сгорания. Соответственно изменяется степень сжатия в пределе от 7:1 до 20:1.

Двигатель MCE-5 имеет все шансы попасть в серию в ближайшей перспективе.

Еще дальше в своих исследованиях пошел Lotus Cars, представив двухтактный двигатель Omnivore (дословно – всеядное животное). Как заявлено, двигатель способен работать на любом виде жидкого топлива – бензин, дизельное топливо, этанол, спирт и др.

В верхней части камеры сгорания двигателя выполнена шайба, которая перемещается эксцентриковым механизмом и изменяет объем камеры сгорания. С такой конструкцией достигается рекордная степень сжатия 40:1. Тарельчатые клапаны в газораспределительном механизме двигателя Omnivore не используются.

Дальнейшее развитие системы сдерживает низкая топливная экономичность и экологичность двухтактных двигателей, а также их ограниченное применение на автомобилях

На современных автомобилях используются различные системы впрыска топлива. Система впрыска (другое наименование - инжекторная система, от injection – впрыск) как следует из названия, обеспечивает впрыск топлива.

Система впрыска используется как на бензиновых, так и дизельных двигателях. Вместе с тем, конструкции и работа систем впрыска бензиновых и дизельных двигателей существенным образом различаются.

В бензиновых двигателях с помощью впрыска образуется однородная топливно-воздушная смесь, которая принудительно воспламеняется от искры. В дизельных двигателях впрыск топлива производится под высоким давлением, порция топлива смешивается со сжатым (горячим) воздухом и почти мгновенно воспламеняется. Давление впрыска определяет величину порции впрыскиваемого топлива и соответственно мощность двигателя. Поэтому, чем больше давление, тем выше мощность двигателя.

Система впрыска топлива является составной частью топливной системы автомобиля. Основным рабочим органом любой системы впрыска является форсунка (инжектор).

Системы впрыска бензиновых двигателей

В зависимости от способа образования топливно-воздушной смеси различают следующие системы впрыска бензиновых двигателей:

  1.  система центрального впрыска;
  2.  система распределенного впрыска;
  3.  система непосредственного впрыска.

Системы центрального и распределенного впрыска являются системами предварительного впрыска, т.е. впрыск в них производится не доходя до камеры сгорания - во впускном коллекторе.

Центральный впрыск (моновпрыск) осуществляется одной форсункой, устанавливаемой во впускном коллекторе. По сути это карбюратор с форсункой. В настоящее время системы центрального впрыска не производятся, но все еще встречаются на легковых автомобилях. Преимуществами данной системы являются простота и надежность, а недостатками - повышенный расход топлива, низкие экологические показатели.

Система распределенного впрыска (многоточечная система впрыска) предполагает подачу топлива на каждый цилиндр отдельной форсункой. Образование топливно-воздушной смеси происходит во впускном коллекторе. Является самой распространенной системой впрыска бензиновых двигателей. Ее отличает умеренное потребление топлива, низкий уровень вредных выбросов, невысокие требования к качеству топлива.

Перспективной является система непосредственного впрыска. Впрыск топлива осуществляется непосредственно в камеру сгорания каждого цилиндра. Система позволяет создавать оптимальный состав топливно-воздушной смеси на всех режимах работы двигателя, повысить степень сжатия, тем самым обеспечивает полное сгорание смеси, экономию топлива, повышение мощности двигателя, снижение вредных выбросов. С другой стороны ее отличает сложность конструкции, высокие эксплуатационные требования (очень чувствительна к качеству топлива, особенно к содержанию в нем серы).

Системы впрыска бензиновых двигателей могут иметь механическое или электронное управление. Наиболее совершенным является электронное управление впрыском, обеспечивающее значительную экономию топлива и сокращение вредных выбросов.

Впрыск топлива в системе может осуществляться непрерывно или импульсно (дискретно). Перспективным с точки зрения экономичности является импульсный впрыск топлива, который используют все современные системы.

В двигателе система впрыска обычно объединена с системой зажигания и образует объединенную систему впрыска и зажигания (например, системы Motronic, Fenix). Согласованную работу систем обеспечивает система управления двигателем.

Системы впрыска дизельных двигателей

Впрыск топлива в дизельных двигателях может производиться двумя способами: в предварительную камеру или непосредственно в камеру сгорания.

Двигатели с впрыском в предварительную камеру отличает низкий уровень шума и плавность работы. Но в настоящее время предпочтение отдается системам непосредственного впрыска. Несмотря на повышенный уровень шума, такие системы имеют высокую топливную экономичность.

Определяющим конструктивным элементом системы впрыска дизельного двигателя является топливный насос высокого давления(ТНВД).

На легковые автомобили с дизельным двигателем устанавливаются различные конструкции систем впрыска:

  1.  система впрыска с рядным ТНВД;
  2.  система впрыска с распределительным ТНВД;
  3.  система впрыска насос-форсунками;
  4.  система впрыска Сommon Rail.

Прогрессивные системы впрыска - насос-форсунки и система Сommon Rail.

В системе впрыска насос-форсунками функции создания высокого давления и впрыска топлива объединены в одном устройстве – насос-форсунке. Насос-форсунка имеет постоянный (неотключаемый) привод от распределительного вала двигателя, поэтому подвержена интенсивному износу. Это качество насос-форсунки направляет предпочтения автопроизводителей в сторону системы Сommon Rail.

Работа системы впрыска Common Rail основана на подаче топлива к форсункам от общего аккумулятора высокого давления – топливной рампы (в переводе common rail - общая рампа). Другое название системы - аккумуляторная система впрыска. Для снижения уровня шума, улучшения самовоспламенения и снижения вредных выбросов в системе реализован многократный впрыск топлива - предварительный, основной и дополнительный.

Системы впрыска дизельных двигателей могут иметь механическое или электронное управление. В механических системах регулирование давления, объема и момента подачи топлива производится механическим способом. Электроника образуетсистему управления дизелем

Система центрального впрыска (моновпрыск) относится ксистемам впрыска топлива бензиновых двигателей. Работа системы основана на впрыске топлива одной форсункой, расположенной на впускном коллекторе двигателя.

Известными конструкциями системы центрального впрыска являютсясистемы Mono-Jetronic и Opel-Multec. Система впрыска Mono-Jetronic разработана фирмой Bosch в 1975 году. Система устанавливалась на автомобили марки Volkswagen, Audi .

Устройство системы впрыска Mono-Jetronic

Система Mono-Jetronic имеет следующее устройство:

  1.  регулятор давления;
  2.  центральная форсунка впрыска;
  3.  дроссельная заслонка с механическим приводом;
  4.  электросервопривод дроссельной заслонки;
  5.  электронный блок управления;
  6.  входные датчики.

Схема системы центрального впрыска Mono-Jetronic

Регулятор давления поддерживает постоянное рабочее давление в системе впрыска (0,1МПа). Кроме этого, с помощью регулятора в системе после выключения двигателя сохраняется остаточное давление, что препятствует образованию воздушных пробок и облегчает пуск двигателя.

Центральная форсунка впрыскаобеспечивает импульсный впрыск топлива. Форсунка представляет собой электромагнитный клапан. Управление клапаном осуществляется электрическим сигналом, поступающим от электронного блока управления. В конструкцию форсунки входит:

  1.  электромагнитная катушка (соленоид);
  2.  запорный клапан;
  3.  возвратная пружина;
  4.  распылительное сопло.

Дроссельная заслонка предназначена для регулирования объема поступающего воздуха. Дроссельная заслонка имеет два привода: механический и электрический. Механический привод осуществляется от педали газа.

Электросервопривод дроссельной заслонки служит для стабилизации оборотов холостого хода за счет принудительного открытия дроссельной заслоники.

Электронный блок управления осуществляет управление центральной форсункой впрыска (электромагнитным клапаном) и электросервоприводом дроссельной заслонкой. Блок управления включает микропроцессор и блок памяти. В блоке памяти помещена информация об эталонной характеристике впрыска (соотношение компонентов топливно-воздушной смести на всех режимах работы двигателя).

Входные датчики фиксируют текущее состояние работы двигателя. В системе используются следующие датчики:

  1.  датчик момента впрыска;
  2.  датчик положения дроссельной заслонки;
  3.  датчик температуры воздуха;
  4.  датчик температуры охлаждающей жидкости;
  5.  датчик оборотов двигателя;
  6.  выключатель сервопривода;
  7.  датчик концентрации кислорода.

По показаниям датчиков температуры воздуха и положения дроссельной заслонки рассчитывается необходимый объем воздуха в системе впрыска.

Масса всасываемого воздуха, через плотность, находится в прямой зависимости от температуры. Чем холоднее воздух, тем он более плотный, а значит обладает большей массой. Датчик температуры воздуха расположен перед центральной форсункой впрыска.

Дроссельная заслонка устроена так, что каждому ее положению соответствует определенное количество пропускаемого воздуха. Этот параметр фиксирует датчик положения дроссельной заслоники, представляющий собой потенциометр. Датчик положения дроссельной заслонки (дроссельный потенциометр) установлен непосредственно на оси привода заслонки.

В случае отказа датчиков температуры воздуха и положения дроссельной заслонки их работа дублируется сигналами датчика оборотов и датчика температуры охлаждающей жидкости(температуры двигателя).

Впрыск топлива осуществляется на основании сигналов датчика момента впрыска, которые подаются одновременно с сигналами на воспламенение топливно-воздушной смеси.

Выключатель сервопривода обеспечивает работу системы в режиме холостого хода двигателя. Замкнутое положение выключателя свидетельствует о режиме холостого хода, при этом включается электросервопривод дроссельной заслонки и поворачивает ее на определенный угол.

Датчик концентрации кислорода (кислородный датчик) предназначен для поддержания оптимального соотношения компонентов топливно-воздушной смеси. Датчик устанавливается ввыпускной системе:

  1.  в выпускном коллекторе;
  2.  на автомобилях с каталитическим нейтрализатором - перед нейтрализатором.

Принцип работы системы впрыска Mono-Jetronic

При работе двигателя сигналы от датчиков поступают в электронный блок управления. По совокупности сигналов и информации об эталонных характеристиках впрыска блок управления вычисляет начало и продолжительность открытия центральной форсунки. В соответствии с расчетными данными подается сигнал на электромагнитную катушку форсунки. Запорный клапан открывается. Бензин через сопло под давлением распыляется во впускном коллекторе и смешивается с воздухом. Образуемая топливно-воздушная смесь подается в камеры сгорания двигателя.

В Система распределенного впрыска (многоточечная система впрыска) относится к системам впрыска топлива бензиновых двигателей. Работа системы основана на впрыске топлива в каждый цилиндр отдельной форсункой.

По принципу действия системы распределенного впрыска топлива разделяются на системы непрерывного и импульсного впрыска.

В зависимости от вида управления различают системы распределенного впрыска с механическим и электронным управлением.

Известными конструкциями системы распределенного впрыска топлива являются:

  1.  система впрыска K-Jetronic;
  2.  система впрыска KE-Jetronic;
  3.  система впрыска L-Jetronic.

Основным производителем систем впрыска является фирма Bosch.

Система распределенного впрыска K-Jetronic является механической системой непрерывного впрыска топлива.

Система распределенного впрыска KЕ-Jetronic представляет собой механическую систему непрерывного впрыска топлива с электронным управлением.

Система распределенного впрыска L-Jetronic является системой импульсного впрыска с электронным управлением.

системе предусмотрена автоматическая стабилизация оборотов. На основании сигнала выключателя сервопривода электродвигатель открывает дроссельную заслонку на определенный угол, чем достигается устойчивая работа в режиме холостого хода.

Конструкция и принцип работы системы впрыска Opel-Multecаналогичны системе Mono-Jetronic.

Система непосредственного впрыска топлива является самой современной системой впрыска топлива бензиновых двигателей. Работа системы основана на впрыске топлива непосредственно в камеру сгорания двигателя.

Впервые система непосредственного впрыска была применена надвигателе GDI (Gasoline Direct Injection – непосредственный впрыск бензина), устанавливаемом на автомобили компании Mitsubishi. В настоящее время система непосредственного впрыска используется в двигателях многих автопроизводителей. Передовики Audi (двигатели TFSI) и Volkswagen (двигатели FSITSI), которые практически полностью перешли на бензиновые двигатели с непосредственным впрыском. Двигатели с непосредственным впрыском имеют в своем активе:

  1.  BMW (двигатели N54, N63);
  2.  Infiniti (двигатели M56);
  3.  Ford (двигатели EcoBoost);
  4.  General Motors (двигатели Ecotec);
  5.  Hyundai (двигатели Theta).
  6.  Mazda (двигатели Skyactiv);
  7.  Mercedes-Benz (двигатели CGI);

Применение системы непосредственного впрыска позволяет достичь до 15% экономии топлива, а также сокращения выброса вредных веществ с отработавшими газами.

Конструкция системы непосредственного впрыска топлива рассмотрена на примере системы, устанавливаемой на двигатели FSI (Fuel Stratified Injection – послойный впрыск топлива).

Система непосредственного впрыска составляет контур высокого давления топливной системы двигателя FSI и имеет следующее устройство:

  1.  топливный насос высокого давления;
  2.  регулятор давления топлива;
  3.  топливная рампа;
  4.  предохранительный клапан;
  5.  датчик высокого давления;
  6.  форсунки впрыска;
  7.  блок управления двигателем.

Схема системы непосредственного впрыска

Топливный насос высокого давления служит для подачи топлива к топливной рампе и далее к форсункам впрыска под высоким давлениям (3-11 МПА) в соответствии с потребностями двигателя. Основу конструкции насоса составляет один или несколько плунжеров. Насос приводится в действие от распределительного вала впускных клапанов.

Регулятор давления топлива обеспечивает дозированную подачу топлива насосом в соответствии с впрыском форсунки. Регулятор расположен в топливном насосе высокого давления. Топливная рампа служит для распределения топлива по форсункам впрыска и предотвращения пульсации топлива в контуре.Предохранительный клапан защищает элементы системы впрыска от предельных давлений, возникающих при температурном расширении топлива. Клапан устанавливается на топливной рампе.

Датчик высокого давления предназначен для измерения давления в топливной рампе. В соответствии с сигналами датчика блок управления двигателем может изменять давление в топливной рампе. Форсунка впрыска обеспечивает распыление топлива в камере сгорания для образования топливно-воздушной смеси.

Согласованную работу системы обеспечивает электронная система управления двигателем, которая является дальнейшим развитиемобъединенной системы впрыска и зажигания Motronic. Традиционно система управления двигателем объединяет входные датчики, блок управления и исполнительные механизмы.

Помимо датчика высокого давления топлива в интересах системы непосредственного впрыска работают датчик частоты вращения коленчатого вала, датчик положения распределительного вала, датчик положения педали газа, расходомер воздуха, датчик температуры охлаждающей жидкости, датчик температуры воздуха на впуске. В совокупности датчики обеспечивают необходимой информацией блок управления двигателем, на основании которой блок воздействует на исполнительные механизмы:

  1.  электромагнитные клапаны форсунок;
  2.  электромагнитный предохранительный клапан;
  3.  электромагнитный перепускной клапан.

Принцип действия системы непосредственного впрыска

Система непосредственного впрыска в результате работы обеспечивает несколько видов смесеобразования:

  1.  послойное смесеобразование;
  2.  стехиометрическое гомогенное смесеобразование;
  3.  гомогенное смесеобразование.

Многообразие в смесеобразовании определяет высокую эффективность использования топлива (экономия, качество образования смеси, ее полное сгорание, увеличение мощности, уменьшение вредных выбросов) на всех режимах работы двигателя.

Послойное смесеобразование используется при работе двигателя на малых и средних оборотах и нагрузках. Стехиометрическое (другое наименование – легковоспламеняемое) гомогенное (другое наименование – однородное) смесеобразование применяется при высоких оборотах двигателя и больших нагрузках. На бедной гомогенной смеси двигатель работает в промежуточных режимах.

При послойном смесеобразовании дроссельная заслонка почти полностью открыта, впускные заслонки закрыты. Воздух поступает в камеры сгорания с большой скоростью, с образованием воздушного вихря. Впрыск топлива производится в зону свечи зажигания в конце такта сжатия. За непродолжительное время до воспламенения в районе свечи зажигания образуется топливно-воздушная смесь с коэффициентом избытка воздуха от 1,5 до 3. При воспламенении смеси вокруг нее остается достаточно много чистого воздуха, выступающего в роли теплоизолятора.

Гомогенное стехиометрическое смесеобразование происходит при открытых впускных заслонках, дроссельная заслонка при этом открывается в соответствии с положением педали газа. Впрыск топлива производится на такте впуска, что способствует образованию однородной смеси. Коэффициент избытка воздуха составляет 1. Смесь воспламеняется и эффективно сгорает во всем объеме камеры сгорания.

Бедная гомогенная смесь образуется при максимально открытой дроссельной заслонке и закрытыми впускными заслонками. При этом создается интенсивное движение воздуха в цилиндрах. Впрыск топлива производится на такте впуска. Коэффициент избытка воздуха поддерживается системой управления двигателем на уровне 1,5. При необходимости в состав смеси добавляются отработавшие газы из выпускной системы, содержание которых может доходить до 25%.

Система Motronic является разновидностью системы управления двигателем. В ней объединены система электронного впрыска топлива и система электронного зажигания. Поэтому другое название системы - объединенная система впрыска и зажигания. Система Motronic (Мотроник) производится фирмой Bosch с 1979 года. Помимо Bosch объединенная система впрыска и зажигания выпускается фирмой Siemens под маркой Fenix.

Система Motronic имеет следующие разновидности:

  1.  Mono-Motronic;
  2.  KE-Motronic;
  3.  M-Motronic;
  4.  ME-Motronic;
  5.  MED-Motronic.

Система Mono-Motronic построена на основе системы центрального впрыска Mono-Jetronic, система KE-Motronic - системы распределенного впрыска KE-Jetronic, система M-Motronic - системы L-Jetronic. Система ME-Motronic является дальнейшим развитием системы M-Motronic, в которой применена дроссельная заслонка с электрическим приводом. Система MED-Motronic построена на базесистемы непосредственного впрыска топлива.

Конструкция объединенной системы впрыска и зажигания рассмотрена на примере системы М-Motronic. Система М-Motronic имеет следующее общее устройство:

  1.  входные датчики;
  2.  электронный блок управления;
  3.  исполнительные механизмы.

Схема системы впрыска М-Motronic

 

Входные датчики фиксируют текущее состояние работы двигателя. Система M-Motronic включает следующие входные датчики:

  1.  датчик положения распределительного вала;
  2.  датчик частоты вращения коленчатого вала;
  3.  расходомер воздуха;
  4.  датчик температуры всасываемого воздуха;
  5.  датчик температуры охлаждающей жидкости;
  6.  датчик положения дроссельной заслонки;
  7.  кислородный датчик;
  8.  и другие.

Электронный блок управления служит для приема, обработки и преобразования сигналов датчиков в управляющие сигналы для исполнительных устройств. В системе Motronic блок управления выполняет следующие функции:

  1.  дозирование количества топлива в соответствии с массой поступающего воздуха;
  2.  создание искрового заряда в определенный момент времени.

В современных системах управления помимо данных функций реализованы функции регулирования уровня токсичности отработавших газов,наддува воздухауправления геометрией впускного коллектора,изменением фаз газораспределения и ряд других.

В электронный блок управления входят следующие основные компоненты:

  1.  аналогово-цифровой преобразователь;
  2.  микропроцессор;
  3.  блок постоянной памяти;
  4.  блок оперативной памяти;
  5.  усилитель.

Исполнительные механизмы реализуют задуманное электронным блоком управления. К ним относятся:

  1.  форсунки впрыска;
  2.  катушки зажигания;
  3.  электропривод топливного насоса;
  4.  клапан в системе рециркуляции отработавших газов;
  5.  запорный клапан в системе улавливания паров бензина;
  6.  электромагнитный клапан в системе изменения фаз газораспределения.

Принцип действия системы М-Мotronic

От входных датчиков в электронный блок управления поступают аналоговые сигналы, характеризующие текущее состояние работы двигателя. В аналогово-цифровом преобразователе аналоговые сигналы преобразуются в цифровую информацию.

Электронный бок управления обрабатывает поступающую информацию с помощью программы, заложенной в блок постоянной памяти. Для выполнения вычислений используются блок оперативной памяти. На основании проведенных вычислений формируются электрические сигналы, которые после усиления используются для управления исполнительными механизмами систем двигателя.

Система впрыска Common Rail является современной системой впрыска топлива дизельных двигателей. Работа системы Common Rail основана на подаче топлива к форсункам от общего аккумулятора высокого давления – топливной рампы (Common Rail в переводе общая рампа). Система впрыска разработана специалистами фирмыBosch.

Применение данной системы позволяет достигнуть снижения расхода топлива, токсичности отработавших газов, уровня шума дизеля. Главным преимуществом системы Common Rail является широкий диапазон регулирования давления топлива и момента начала впрыска, которые достигнуты за счет разделения процессов создания давления и впрыска.

Конструктивно система впрыска Common Rail составляет контур высокого давления топливной системы дизельного двигателя. В системе используется непосредственный впрыск топлива, т.е. дизельное топливо впрыскивается непосредственно в камеру сгорания. Система Common Rail имеет следующее устройство:

  1.  топливный насос высокого давления;
  2.  клапан дозирования топлива;
  3.  регулятор давления топлива (контрольный клапан);
  4.  топливная рампа;
  5.  форсунки;
  6.  топливопроводы.

Схема системы впрыска Common Rail

Топливный насос высокого давления(ТНВД) служит для создания высокого давления топлива и его накопления в топливной рампе. Современные топливные насосы высокого давления плунжерного типа.

Клапан дозирования топливарегулирует количество топлива, подаваемого к топливному насосу высокого давления в зависимости от потребности двигателя. Клапан конструктивно объединен с ТНВД.

Регулятор давления топлива предназначен для управления давлением топлива в системе, в зависимости от нагрузки на двигатель. Он устанавливается в топливной рампе.

Топливная рампа предназначена для выполнения нескольких функций:

  1.  накопления топлива и содержание его под высоким давлением;
  2.  смягчения колебаний давления, возникающих вследствие пульсации подачи от ТНВД;
  3.  распределения топлива по форсункам.

Форсунка важнейший элемент системы, непосредственно осуществляющий впрыск топлива в камеру сгорания двигателя. Форсунки связаны с топливной рампой топливопроводами высокого давления. В системе используются следующие конструкции форсунок:

  1.  электрогидравлическая форсунка;
  2.  пьезофорсунка.

Впрыск топлива электрогидравлической форсункой осуществляется за счет управления электромагнитным клапаном. Активным элементом пьезофорсунки являются пьезокристаллы, значительно повышающие скорость работы форсунки.

Управление работой системой впрыска Common Rail обеспечиваетсистема управления дизелем, которая включает:

  1.  датчики;
  2.  блок управления двигателем;
  3.  исполнительные механизмы систем двигателя.

Система управления дизелем включает следующие датчики:

  1.  датчик оборотов двигателя;
  2.  датчик холла;
  3.  датчик положения педали газа;
  4.  расходомер воздуха;
  5.  датчик температуры охлаждающей жидкости;
  6.  датчик давления воздуха;
  7.  датчик температуры воздуха;
  8.  датчик давления топлива;
  9.  кислородный датчик (лямбда-зонд);
  10.  и др.

Основными исполнительными механизмами системы впрыска Common Rail являются:

  1.  форсунки;
  2.  клапан дозирования топлива;
  3.  регулятор давления топлива.

Принцип действия системы впрыска Common Rail

На основании сигналов, поступающих от датчиков, блок управления двигателем определяет необходимое количество топлива, которое топливный насос высокого давления подает через клапан дозирования топлива. Насос накачивает топливо в топливную рампу. Там оно находится под определенным давлением, обеспечиваемым регулятором давления топлива.

В нужный момент блок управления двигателем дает команду соответствующим форсункам на начало впрыска и обеспечивает определенную продолжительность открытия клапана форсунки. В зависимости от режимов работы двигателя блок управления двигателем корректирует параметры работы системы впрыска.

С целью повышения эффективной работы двигателя в системе Common Rail реализуется многократный впрыск топлива в течение одного цикла работы двигателя. При этом различают:

  1.  предварительный впрыск;
  2.  основной впрыск;
  3.  дополнительный впрыск.

Предварительный впрыск небольшого количества топлива производится перед основным впрыском для повышения температуры и давления в камере сгорания, чем достигается ускорение самовоспламенения основного заряда, снижение шума и токсичности отработавших газов. В зависимости от режима работы двигателя производится:

  1.  два предварительных впрыска - на холостом ходу;
  2.  один предварительный впрыск - при повышении нагрузки;
  3.  предварительный впрыск не производится - при полной нагрузке.

Основной впрыск обеспечивает работу двигателя.

Дополнительный впрыск производится для повышения температуры отработавших газов и сгорания частиц сажи в сажевом фильтре (регенерация сажевого фильтра).

Развитие системы впрыска Common Rail осуществляется по пути увеличения давления впрыска:

  1.  первое поколение – 140 МПа, с 1999 года;
  2.  второе поколение – 160 МПа, с 2001 года;
  3.  третье поколение – 180 МПа, с 2005 года;
  4.  четвертое поколение – 220 МПа, с 2009 года.

Чем выше давление в системе впрыска, тем больше топлива можно впрыснуть в цилиндр за равный промежуток времени и, соответственно, реализовать большую мощность.

Система впрыска насос-форсунками является современной системой впрыска топлива дизельных двигателей. В отличии отсистемы впрыска Common Rail в данной системе функции создания высокого давления и впрыска топлива объединены в одном устройстве – насос-форсунке. Собственно насос-форсунка и составляет одноименную систему впрыска.

Применение насос-форсунок позволяет повысить мощность двигателя, снизить расход топлива, выбросы вредных веществ, а также уровень шума.

В системе на каждый цилиндр двигателя приходится своя форсунка. Привод насос-форсунки осуществляется отраспределительного вала, на котором имеются соответствующие кулачки. Усилие от кулачков передается через коромысло непосредственно к насос-форсунке.

Насос-форсунка имеет следующее устройство:

  1.  плунжер;
  2.  клапан управления;
  3.  запорный поршень;
  4.  обратный клапан;
  5.  игла распылителя.

 

Схема насос-форсунки

Плунжер служит для создания давления топлива. Поступательное движение плунжера осуществляется за счет вращения кулачков распределительного вала, возвратное – за счет плунжерной пружины.

Клапан управления предназначен для управления впрыском топлива. В зависимости от привода различают следующие виды клапанов:

  1.  электромагнитный;
  2.  пьезоэлектрический.

Пьезоэлектрический клапан пришел на сменуэлектромагнитному клапану. Пьезоэлектрический клапан обладает большим быстродействием. Основным конструктивным элементом клапана является игла клапана.

Пружина форсунки обеспечивает посадку иглы распылителя на седло.

Усилие пружины при необходимости поддерживается давлением топлива. Данная функция реализуется с помощью запорного поршня и обратного клапана.

Игла распылителя предназначена для обеспечения непосредственного впрыска топлива в камеру сгорания.

Управление насос-форсунками осуществляет система управления двигателем. Блок управления двигателем на основании сигналов датчиков управляет клапаном насос-форсунки.

Принцип действия насос-форсунки

Конструкция насос-форсунки обеспечивает оптимальное и эффективное образование топливно-воздушной смеси. Для этого в процессе впрыска топлива предусмотрены следующие фазы:

  1.  предварительный впрыск;
  2.  основной впрыск;
  3.  дополнительный впрыск.

Предварительный впрыск производится для достижения плавности сгорания смеси при основном впрыске. Основной впрыск обеспечивает качественное смесеобразование на различных режимах работы двигателя. Дополнительный впрыскосуществляется для регенерации (очистки от накопленной сажи) сажевого фильтра.

Работа насос-форсунки осуществляется следующим образом. Кулачек распределительного вала через коромысло перемещает плунжер вниз. Топливо перетекает по каналам форсунки. При закрытии клапана происходит отсечка топлива. Давление топлива начинает расти. При достижении давления 13 МПа игла распылителя, преодолевая усилие пружины, поднимается и происходит предварительный впрыск топлива.

Предварительный впрыск топлива прекращается при открытии клапана. Топливо переливается в питающую магистраль. Давление топлива снижается. В зависимости от режимов работы двигателя может осуществляться один или два предварительных впрыска топлива.

Основной впрыск производится при дальнейшем движении плунжера вниз. Клапан снова закрывается. Давление топлива начинает расти. При достижении давления 30 МПа, игла распылителя, преодолевая усилие пружины и давление топлива, поднимается и происходит основной впрыск топлива.

Чем выше давление, тем больше количества топлива сжимается и соответственно больше впрыскивается в камеру сгорания двигателя. При максимальном давлении 220 МПа впрыскивается наибольшее количество топлива, тем самым обеспечивается максимальная мощность двигателя.

Основной впрыск топлива завершается при открытии клапана. При этом падает давление топлива и закрывается игла распылителя.

Дополнительный впрыск выполняется при дальнейшем движении плунжера вниз. Принцип действия насос-форсунки при дополнительном впрыске аналогичен основному впрыску. Обычно производится два дополнительных впрыска топлива.

Топливный насос высокого давления (сокращенное наименование – ТНВД) является одним из основных конструктивных элементов системы впрыска дизельного двигателя. Насос, выполняет, как правило, две основные функции: нагнетание под давлением определенного количества топлива; регулирование необходимого момента начала впрыскивания. С появлением аккумуляторных систем впрыска функция регулирования момента впрыска возложена на управляемые электроникой форсунки.

Основу топливного насоса высокого давления составляетплунжерная пара, которая объединяет поршень (он же плунжер) и цилиндр (он же втулка) небольшого размера. Плунжерная пара изготавливается из высококачественной стали с высокой точностью. Между плунжером и втулкой обеспечивается минимальный зазор – прецизионное сопряжение.

В зависимости от конструкции различают следующие виды топливных насосов высокого давления:

  1.  рядный;
  2.  распределительный;
  3.  магистральный.

В рядном насосе нагнетание топлива в цилиндр производится отдельной плунжерной парой. Распределительный насос имеет один или несколько плунжеров, которые обеспечивают нагнетание и распределение топлива по всем цилиндрам. Магистральные насосы осуществляют только нагнетание топлива в аккумулятор.

Топливный насос высокого давления используется также в системе непосредственного впрыска бензинового двигателя, но его рабочее давление на порядок ниже аналогичной характеристики дизельного насоса.

Ведущими производителями топливных насосов высокого давления являются, в основном, зарубежные фирмы: BoschLucasDelphi,DensoZexel.

Рядный топливный насос высокого давления

Рядный ТНВД имеет плунжерные пары по числу цилиндров. Плунжерные пары установлены в корпусе насоса, в котором выполнены каналы для подвода и отвода топлива. Движение плунжера осуществляется от кулачкового вала, который в свою очередь имеет привод от коленчатого вала двигателя. Плунжеры постоянно прижимаются к кулачкам с помощью пружин.

При вращении кулачкового вала кулачок набегает на толкатель плунжера. Плунжер двигается вверх по втулке, при этом последовательно закрываются выпускное и впускное отверстие. Создается давление, при котором открывается нагнетательный клапан, и топливо по топливопроводу поступает к соответствующей форсунке.

Устройство рядного топливного насоса высокого давления

Регулирование количества подаваемого топлива и момента его подачи может осуществляться механическим путем или с помощью электроники. Механическоерегулирование количества подаваемого топливаосуществляется поворотом плунжера во втулке. Для поворота на плунжере выполнена шестерня, которая соединена с зубчатой рейкой. Рейка связана с педалью газа. Верхняя кромка плунжера имеет наклонную поверхность, поэтому при повороте отсечка топлива и соответственно его количество будет изменяться.

Изменение момента начала подачи топлива требуется при изменении частоты вращения коленчатого вала двигателя. Механическое регулирование момента подачи топлива производится с помощью центробежной муфты, расположенной на кулачковом валу. Внутри муфты находятся грузики, которые при увеличении оборотов двигателя расходятся под действием центробежных сил и поворачивают кулачковый вал относительно привода. При увеличении оборотов двигателя обеспечивается ранний впрыск топлива, при уменьшении – поздний.

Конструкция рядных ТНВД обеспечивает высокую надежность. Насосы смазываются моторным маслом системы смазки двигателя, поэтому могут работать на топливе низкого качества. Рядные топливные насосы высокого давления применяются на двигателях с раздельными камерами сгорания и непосредственным впрыском средних и тяжелых грузовых автомобилей. На легковых дизелях данный вид насоса применялся до 2000 года.

Распределительный топливный насос высокого давления

Распределительные топливные насосы высокого давления, в отличие от рядного ТНВД, имеют один или два плунжера, обслуживающих все цилиндры двигателя. Распределительные насосы обладают меньшей массой и габаритными размерами, а также обеспечивают большую равномерность подачи. С другой стороны их отличает сравнительно низкая долговечность сопряженных деталей. Все это определяет область применения данных насосов, в основном, на двигателях легковых автомобилей.

Конструкции распределительных топливных насосов высокого давления могут иметь различный привод плунжера:

  1.  торцевой кулачковый привод (насосы Bosch VE);
  2.  внутренний кулачковый привод (роторные насосы Bosch VR, Lucas DPC, Lucas DPS);
  3.  внешний кулачковый привод (отечественные насосы НД-21, НД-22).

Предпочтительными в плане эксплуатации являются первые два типа привода плунжеров, т.к. в них отсутствуют силовые нагрузки от давления топлива на узлы приводного вала и, соответственно, выше долговечность.

Устройство распределительного топливного насоса высокого давления

Основным элементом распределительного ТНВД с торцевым кулачковым приводом плунжера (Bosch VE) является плунжер-распределитель, который совершает возвратно-поступательное и вращательное движение, обеспечивая нагнетание и распределение топлива по цилиндрам.

Возвратно-поступательное движение плунжера происходит при вращении кулачковой шайбы, которая обегает неподвижное кольцо по роликам. Шайба нажимает на плунжер, за счет чего создается давление топлива. В исходное положение плунжер возвращается с помощью пружины.

Вращение плунжера производится от приводного вала. При этом происходит распределение топлива по цилиндрам.

Регулирование величины подачи топлива осуществляется автоматически с помощью механического или электронного устройств. Механический регулятор включает центробежную муфту с грузами, которая через систему рычагов воздействует на дозатор, изменяющий величину топливоподачи. Электронный регулятор представляет собой электромагнитный клапан.

Регулирование величины опережения впрыска топлива в распределительном насосе производится путем поворота неподвижного кольца на определенный угол.

Рабочий процесс распределительного насоса включает впуск топлива в надплунжерное пространство, нагнетание и распределение в соответствующие цилиндры.

Устройство распределительного насоса роторного типа

В распределительном насосе роторного типа нагнетание и распределение топлива по цилиндрам осуществляются разными устройствами плунжером и распределительной головкой. Нагнетание топлива производится с помощью двух противолежащих плунжеров, расположенных на распределительном валу. Плунжеры через ролики обегают профиль кулачковой обоймы и совершают возвратно-поступательное движение.

При движении плунжеров навстречу друг другу происходит рост давления топлива, после чего топливо по каналам распределительной головки и нагнетательным клапанам доставляется к форсункам соответствующих цилиндров.

Топливо к плунжеру (плунжерам) подается под небольшим давлением, которое создает топливоподкачивающий насос. В распределительных насосах топливоподкачивающий насос установлен на приводном валу в корпусе насоса. Конструктивно это может быть роторно-лопастной насос, шестеренный насос с внешним или внутренним зацеплением.

Смазка распределительного насоса высокого давления производится дизельным топливом, которое заполняет корпус насоса.

Магистральный топливный насос высокого давления

Магистральный топливный насос высокого давления используется в аккумуляторной системе впрыска топлива Common Rail, где он выполняет функцию нагнетания топлива в топливную рампу. Магистральные ТНВД обеспечивают более высокое давление топлива (в современных системах впрыска порядка 180 МПА и более).

Конструктивно магистральный насос может иметь один, два или три плунжера. Привод плунжеров осуществляется с помощью кулачкового вала или кулачковой шайбы.

Устройство магистрального топливного насоса высокого давления

При вращении кулачкового вала (эксцентрика кулачковой шайбы) под действием возвратной пружины плунжер движется вниз. Увеличивается объем компрессионной камеры и уменьшается давление в ней. Под действием разряжения открывается впускной клапан, и топливо поступает в камеру.

Движение плунжера вверх сопровождается ростом давления в камере, впускной клапан закрывается. При определенном давлении открывается выпускной клапан и топливо подается в рампу.

Управление подачей топлива производится в зависимости от потребности двигателя с помощью клапана дозирования топлива. В нормальном положении клапан открыт. По сигналу электронного блока управления клапан закрывается на определенную величину, тем самым регулируется количество поступающего в компрессионную камеру топлива.

Форсунка (другое название - инжектор), являясь конструктивным элементом системы впрыска, предназначена для дозированной подачи топлива, его распыления в камере сгорания (впускном коллекторе) и образования топливно-воздушной смеси.

Форсунка используется в системах впрыска как бензиновых, так и дизельных двигателей. На современных двигателях устанавливаютсяфорсунки с электронным управлением впрыска.

В зависимости от способа осуществления впрыска различают следующие виды форсунок:

  1.  электромагнитная;
  2.  электрогидравлическая;
  3.  пьезоэлектрическая.

Электромагнитная форсунка

Электромагнитная форсунка устанавливается, как правило, на бензиновых двигателях, в т.ч. оборудованных системой непосредственного впрыска. Форсунка имеет достаточно простое устройство, включающее электромагнитный клапан с иглой и сопло.

Устройство электромагнитной форсунки

Работа электромагнитной форсункиосуществляется следующим образом. В соответствии с заложенным алгоритмом электронный блок управления обеспечивает в нужный момент подачу напряжения на обмотку возбуждения клапана. При этом создается электромагнитное поле, которое преодолевая усилие пружины, втягивает якорь с иглой и освобождает сопло. Производится впрыск топлива. С исчезновением напряжения, пружина возвращает иглу форсунки на седло.

Электрогидравлическая форсунка

Электрогидравлическая форсунка используется на дизельных двигателях, в т.ч. оборудованныхсистемой впрыска Common Rail. Конструкция электрогидравлической форсунки объединяет электромагнитный клапан, камеру управления, впускной и сливной дроссели.

Устройство электрогидравлической форсунки

Принцип работы электрогидравлической форсунки основан на использовании давления топлива, как при впрыске, так и при его прекращении. В исходном положении электромагнитный клапан обесточен и закрыт, игла форсунки прижата к седлу силой давления топлива на поршень в камере управления. Впрыск топлива не происходит. При этом давление топлива на иглу ввиду разности площадей контакта меньше давления на поршень.

По команде электронного блока управления срабатывает электромагнитный клапан, открывая сливной дроссель. Топливо из камеры управления вытекает через дроссель в сливную магистраль. При этом впускной дроссель препятствует быстрому выравниванию давлений в камере управления и впускной магистрали. Давление на поршень снижается, а давление топлива на иглу не изменяется, под действием которого игла поднимается и происходит впрыск топлива.

Пьезоэлектрическая форсунка

Самым совершенным устройством, обеспечивающим впрыск топлива, является пьезоэлектрическая форсунка (пьезофорсунка). Форсунка устанавливается на дизельных двигателях, оборудованных системой впрыска Common Rail.

Преимуществами пьезофорсунки являются:

  1.  быстрота срабатывания (в 4 раза быстрее электромагнитного клапана), и как следствие возможность многократного впрыска топлива в течение одного цикла;
  2.  точная дозировка впрыскиваемого топлива.

Это стало возможным благодаря использованиюпьезоэффекта в управлении форсункой, основанного на изменении длины пьезокристалла под действием напряжения. Конструкция пьезоэлектрической форсунки включает пьезоэлемент, толкатель, переключающий клапан и иглу, помещенные в корпусе.

Устройство пьезоэлектрической форсунки

В работе пьезофорсунки, также как и электрогидравлической форсунки, используется гидравлический принцип. В исходном положении игла посажена на седло за счет высокого давления топлива. При подаче электрического сигнала на пьезоэлемент, увеличивается его длина, которая передает усилие на поршень толкателя. Открывается переключающий клапан, топливо поступает в сливную магистраль. Давление выше иглы падает. Игла за счет давления в нижней части поднимается и производится впрыск топлива.

Количество впрыскиваемого топлива определяется:

  1.  длительностью воздействия на пьезоэлемент;
  2.  давлением топлива в топливной рампе.

Топливная система (другое наименование система питания топливом) предназначена для питания двигателя автомобиля топливом, а также его хранения и очистки.

Топливная система автомобиля имеет следующее устройство:

  1.  топливный бак;
  2.  топливный насос;
  3.  датчик уровня топлива;
  4.  топливный фильтр;
  5.  топливопроводы;
  6.  система впрыска.

Топливная система бензинового и дизельного двигателей имеет, в основном, аналогичное устройство. Принципиальные отличия имеет система впрыска.

Топливный бак предназначен для хранения запаса топлива, необходимого для работы двигателя. Топливный бак в легковом автомобиле обычно располагается в задней части на днище кузова. Емкость топливного бака обеспечивает в среднем 500 км пробега конкретного автомобиля. Топливный бак изолирован от атмосферы. Вентиляцию топливного бака производит система улавливания паров бензина.

Топливный насос подает топливо в систему впрыска и поддерживает рабочее давление в топливной системе. Топливный насос устанавливается в топливном баке и имеет электрический привод. При необходимости используется дополнительный (подкачивающий) насос (не путать с топливным насосом высокого давления системы впрыска дизельных двигателей и системы непосредственного впрыска).

В топливном баке вместе с насосом устанавливается датчик уровня топлива. Конструкция датчика включает поплавок и потенциометр. Перемещение поплавка при изменении уровня топлива в баке приводит к изменению положения потенциометра. Это, в свою очередь, приводит к повышению сопротивления в цепи и уменьшению напряжения на указателе запаса топлива.

Очистка поступающего топлива осуществляется в топливном фильтре. На современных автомобилях в топливный фильтр встроен редукционный клапан, регулирующий рабочее давление в системе. Излишки топлива отводятся от клапана по сливному топливопроводу. На двигателях с непосредственным впрыском топлива редукционный клапан в топливном фильтре не устанавливается.

Топливный фильтр топливной системы дизельных двигателей имеет несколько иную конструкцию, но суть его работы остается прежней. С определенной периодичностью производится замена топливного фильтра в сборе или, только, фильтрующего элемента.

Топливо в системе циркулирует по топливопроводам. Различают подающий и сливной топливопроводы. В подающем топливопроводе поддерживается рабочее давление. По сливному топливопроводу излишки топлива удаляются в топливный бак.

Система впрыска предназначена для образования топливно-воздушной смеси за счет впрыска топлива.

Работа топливной системы осуществляется следующим образом. При включении зажигания топливный насос закачивает топливо в систему. При прохождении через топливный фильтр происходит его очистка. Далее топливо поступает в систему впрыска, где происходит распыление и образование топливно-воздушной смеси.

На некоторых автомобилях рабочее давление в топливной системе создается при открытии водительской двери (включается топливный насос).

Бензиновый двигатель FSI (Fuel Stratified Injection – послойный впрыск топлива) является современным двигателем внутреннего сгорания с непосредственным впрыском топлива. Впервые двигатель FSI был установлен на автомобилях Volkswagen в 2000 году.

Конструкция топливной системы двигателя FSI имеет два контура:

  1.  контур низкого давления;
  2.  контур высокого давления.

Контур низкого давления имеет следующее устройство:

  1.  топливный бак;
  2.  топливный насос;
  3.  топливный фильтр;
  4.  датчик низкого давления.

Схема топливной системы двигателя FSI

Основным элементом контура низкого давления является топливный насос, который служит для подачи топлива в контур низкого давления. Топливный насос встроен в топливный бак. Насос создает давление порядка 0,05-0,5МПа. Управление производительностью насоса осуществляется соответствующим блоком управления, объединенным с топливным насосом.

Топливный насос обеспечивает подачу строго определенного количества топлива в систему, необходимого для работы двигателя. Это достигается за счет постоянного измерения давления топлива в контуре датчиком низкого давления.

Сигнал от датчика поступает в блок управления двигателем. Значение сигнала сопоставляется со стандартным значением для конкретного режима работы двигателя. При отличии давления от стандартного значения, блок управления двигателем подает сигнал блоку управления топливным насосом. Блок управления топливным насосом изменяет обороты вращения насоса, тем самым изменяет его производительность и давление в контуре.

Контур высокого давления составляет систему непосредственного впрыска топлива.

Особенностью дизельного топлива является увеличение вязкости при понижении температуры, которое сопровождается помутнением, кристаллизацией и дальнейшим застыванием. При значительном повышении вязкости нарушается нормальная работа топливной системы, вплоть до полного прекращения подачи дизельного топлива. Для противодействия указанным негативным факторам на легковых и грузовых автомобилях применяются подогреватели дизельного топлива.

Подогреватели дизельного топлива выполняют, как правило, две функции:

  1.  подогрев дизельного топлива при запуске двигателя (предпусковой подогрев);
  2.  поддержание определенной температуры дизельного топлива при работе двигателя (маршевый подогрев).

Данные функции могут быть реализованы как раздельно, так и совместно. В последнем случае речь идет о системе подогрева дизельного топлива.

Ведущими производителями подогревателей дизельного топлива являются фирмы Alternative Technology Group GmbHATG(модель Diesel Therm), Parker(модель Racor), Номакон (НОвыеМАтериалы и КОНструкции).

Предпусковые подогреватели дизельного топлива

К предпусковым подогревателям дизельного топлива относятся:

  1.  подогреватели фильтра тонкой очистки;
  2.  гибкие ленточные подогреватели;
  3.  подогреваемые топливозаборники.

В основе данных устройств лежит электрический нагревательный элемент, питающийся от аккумуляторной батареи.

Фильтр тонкой очистки топлива – самое уязвимое место топливной системы, потому что именно его пропускная способность нарушается вследствие низкой температуры. Для подогрева фильтра тонкой очистки используется подогреватели бандажного(накладного) типа. Подогреватель включается водителем из салона на 3-5 мин и обеспечивает предпусковой подогрев в интервале отрицательных температур от -5 до -40°С.

Гибкие ленточные подогреватели ввиду своей универсальности могут устанавливаться в различных местах топливной системы (топливопроводы, топливный фильтр). Они обеспечивают как предпусковой, так и маршевый подогрев топлива.

Предпусковые подогреваемые топливозаборники снабжены электрическим нагревательным элементом. При работе двигателя подогрев топливозаборника может осуществляться путем теплового обмена с нагретой охлаждающей жидкостью или топливом обратной подачи.

Маршевые подогреватели дизельного топлива

Подогрев дизельного топлива в движении может осуществляться двумя способами:

  1.  электрическим;
  2.  жидкостным.

К электрическим маршевым подогревателям относятся проточные подогреватели и гибкие ленточные подогреватели. Проточный подогреватель устанавливается, как правило. перед фильтром тонкой очистки в разрезе топливопровода. Электропитание данных устройств производится от работающего автомобильного генератора.

Жидкостные подогреватели дизельного топлива представлены подогреваемыми топливозаборниками и змеевиками. Змеевикпредставляет собой трубопровод охлаждающей жидкости спиральной формы, охватывающий соответствующий топливопровод.

Электрические предпусковые и маршевые подогреватели могут объединяться в систему подогрева дизельного топлива. В зависимости от температуры воздуха электронный блок управления обеспечивает поддержание оптимальной температуры дизельного топлива, путем активизации определенных подогревателей.

Топливный бак - важный конструктивный элемент топливной системы. Он предназначен для безопасного хранения определенного количества топлива (бензин, дизельное топливо, газ и др.), предотвращения его утечек и ограничения выбросов в результате испарения.

На легковых автомобилях топливный бак устанавливается, как правило, перед задней осью под задним сиденьем, вне зоны деформации автомобиля при ударе сзади. Объем топливного бака должен обеспечивать автономный пробег автомобиля в пределе 400-600 км. Бак закрепляется на кузове автомобиля ленточными хомутами. С нижней части топливного бака может устанавливаться металлическая защита от повреждений. Для предотвращения нагрева топливного бака от элементов выпускной системы применяются теплоизолирующие прокладки.

Топливные баки изготавливаются из металла (алюминий, сталь) или пластмассы. Самым популярным материалом в настоящее время является пластмасса (полиэтилен высокой плотности). Преимуществом пластмассовых баков является наилучшее использование пространства для установки, т.к. при изготовлении (формовке) можно получить топливный бак любой формы, а значит добиться максимального его объема.

Пластик не подвержен коррозии, вместе с тем, стенки бака проницаемы для углеводородов на молекулярном уровне. Для предотвращения микроутечек топлива пластиковые баки изготавливаются многослойными. В некоторых конструкциях внутренняя поверхность бака покрывается фтором, препятствующим утечкам.

Металлические топливные баки свариваются из штампованного листа. Алюминий используется для хранения бензина, дизтоплива, сталь – для газа. С целью оптимизации свободного пространства для каждого нового автомобиля разрабатывается свой топливный бак. При этом для одной модели автомобиля топливные баки могут различаться в зависимости от типа кузова, типа двигателя, конструкции топливной системы, системы впрыска, климатического исполнения.

Заправка топливного бака производится через заливную горловину, которая располагается слева или справа над задним крылом. Предпочтительным является левое расположение заливной горловины (расположение со стороны водителя), при котором по окончании заправки меньше шансов оставить заправочный пистолет в горловине и уехать вместе с ним.

С топливным баком заливная горловина соединена трубопроводом. Сечение заливной горловины и трубопровода должно обеспечивать скорость заправки топливного бака порядка 50 литров в минуту. Горловина топливного бака запирается винтовой крышкой. На автомобилях Ford применяется заливная горловина топливного бака без крышки – система Easy Fuel. Снаружи горловина закрыта лючком, оборудованным замком. Замок лючка бензобака отпирается из салона с помощью электрического (электродвигатель) или механического (трос) привода.

Топливо в систему подается через выходной топливопровод, избытки топлива возвращаются обратно в бак по сливному топливопроводу. В автомобилях с бензиновыми двигателями в топливном баке устанавливается электрический топливный насос, обеспечивающий нагнетание топлива в систему. В конструкции автомобиля предусматривается технологический доступ к насосу (лючок в кузове).

Для контроля уровня топлива в баке устанавливается соответствующий датчик. Он образует единый блок с топливным насосом (бензиновые двигатели) или устанавливается отдельно (дизели). Датчик состоит из поплавка и потенциометра. При снижении уровня топлива поплавок опускается, изменяется сопротивление связанного с ним потенциометра и уменьшается напряжение в цепи. При этом отклоняется стрелка указателя уровня топлива на панели приборов. В топливных баках сложной конструкции и большого объема может устанавливаться два датчика контроля уровня топлива, работающих совместно.

Для эффективной работы топливного бака в нем должно постоянно поддерживаться атмосферное давление. Данную задачу решаетсистема вентиляции топливного бака, которая:

  1.  нейтрализует разряжение, возникающее при потреблении топлива из бака;
  2.  способствует вытеснению избытка воздуха, возникающего при заправке топливного бака;
  3.  противодействует повышению давления в связи с нагревом топлива.

При пониженном давлении топливный бак может деформироваться, а подача топлива прекратиться, при высоком давлении – разорваться.

На современных автомобилях используется система вентиляции топливного бака закрытого типа, т.е. топливный бак не имеет непосредственного соединения с атмосферой. Схемы системы вентиляции топливного бака, используемые на автомобилях, могут существенным образом отличаться. Вместе с тем, можно выделить общие элементы, отвечающие за впуск воздуха в топливный бак и выпуск из него паров топлива.

Задача впуска воздуха при возникающем разряжении решается с помощью предохранительного клапана. Клапан устанавливается в крышке заливной горловины. По своей сути это обратный клапан, пропускающий воздух в одном направлении и запирающий его движение - в другом. При возрастании разряжения в топливном баке атмосферное давление отжимает пружину клапана, в результате чего воздух поступает в топливный бак и давление в нем выравнивается с атмосферным давлением.

При заправке топливного бака избыток паров топлива вытесняется по вентиляционному трубопроводу, расположенному параллельно с заправочным трубопроводом. На конце трубопровода может располагаться компенсационная емкость, в которой скапливается избыток паров бензина при заправке. Емкость не соприкасается с атмосферой, а соединена отдельным трубопроводом с адсорбером системы улавливания паров бензина. В конце вентиляционного трубопровода также устанавливается гравитационный клапан, предотвращающий разлив топлива из бака при опрокидывании автомобиля. Клапан срабатывает при наклоне автомобиля свыше 45°.

Пары топлива, возникающие при нагреве, выводятся из топливного бака с помощью системы улавливания паров бензина. Данная система является неотъемлемой частью системы вентиляции топливного бака. Для эффективной работы системы улавливания паров бензина в топливном баке могут устанавливаться датчик температуры топлива и датчик давления топлива в топливном баке.

Топливный насос – основной конструктивный элемент топливной системы бензинового двигателя, обеспечивающий подачу под давлением определенного количества топлива к форсункам (двигатели с впрыском топлива) или карбюратору (карбюраторные двигатели). В зависимости от типа привода различают механические и электрические топливные насосы.

Механический топливный насос

Механический топливный насос (бензонасос) применяется на карбюраторных двигателях. Он имеет механический привод от распределительного вала (вала привода масляного насоса). Насос располагается непосредственно на двигателе.

Механический топливный насос является разновидностью поршневого насоса. Конструктивно он объединяет:

  1.  корпус, состоящий из двух частей и закрытый сверху крышкой;
  2.  диафрагму, установленную между верхней и нижней частью корпуса;
  3.  шток, жестко соединенный с диафрагмой;
  4.  возвратную пружину, насаженную на шток;
  5.  всасывающий и нагнетательный клапаны в верхней части насоса;
  6.  сетчатый фильтр в крышке насоса;
  7.  механический привод.

Устройство механического топливного насоса

Диафрагма является основным рабочим органом насоса. Она состоит из нескольких (2-3) мембран, между которыми расположены прокладки. Диафрагма соединена со штоком, который другим концом взаимодействует с элементами механического привода насоса. Различают разные схемы механического привода насоса. На отечественным автомобилях применяется конструкция, состоящая из толкателя и рычага с балансиром. У зарубежных производителей популярна схема с двуплечим рычагом (коромыслом).

Привод насоса осуществляется от эксцентрика распределительного вала. При вращении эксцентрика привод насоса перемещает шток с диафрагмой вниз, преодолевая усилие пружины. Объем полости над диафрагмой увеличивается, топливо за счет возникающего разряжения поступает в насос через всасывающий клапан из топливного бака. Нагнетательный клапан закрыт.

При дальнейшем движении эксцентрика рычаг привода насоса освобождается, а диафрагма перемещается вверх под действием возвратной пружины. Над диафрагмой создается давление, за счет которого открывается нагнетательный клапан, и топливо через нагнетательный патрубок поступает в карбюратор. Всасывающий клапан закрыт. Цикл работы насоса повторяется при каждом обороте эксцентрика.

Когда поплавковая камера карбюратора заполняется, запорная игла отсекает доступ топлива в карбюратор. Диафрагма при этом остается в нижнем положении, а привод насоса работает вхолостую (ничего не перемещает). Производительность механического топливного насоса регулируется автоматически путем изменения амплитуды движения диафрагмы.

Электрический топливный насос

Электрический топливный насос применяется в топливной системе бензиновых двигателей с распределенным впрыском топлива. В двигателях с непосредственным впрыском топлива, а также дизельных двигателях электрический насос используется в контуре низкого давления для предварительной подачи топлива к насосу высокого давления. Электрический топливный насос создает давление топлива в пределе 0,3-0,4 Мпа (в двигателях с непосредственным впрыском – до 0,7 Мпа). Использование механических насосов в системах впрыска топлива невозможно по причине низкого давления подачи топлива.

Топливный насос с электрическим приводом может располагаться в топливопроводе или в топливном баке. На большинстве современных автомобилей топливный насос встроен в топливный бак. Такая схема обеспечивает лучшее охлаждение насоса, сокращает вероятность потерь за счет отсутствия всасывающей магистрали. С другой стороны, система имеет максимальную длину нагнетательного топливопровода, что повышает его уязвимость.

Устройство электрического топливного насоса

Электрический топливный насос состоит из электрического привода (электродвигатель) и насосной части (собственно насос), помещенных в металлический корпус. Все элементы топливного насоса находятся в контакте с топливом. Бензин имеет высокое электрическое сопротивление (более 1 МОм), предотвращающее короткое замыкание. Конструктивно топливный насос представляет собой модуль, в который помимо насоса включаются датчик расхода топлива, сетчатый топливный фильтр, топливозаборник.

Работу топливного насоса обеспечивают два клапана – обратный и редукционный. Обратный клапан запирает топливную систему при остановке двигателя. Редукционный клапан поддерживает определенное давление в системе, перепуская часть топлива обратно на впуск.

По конструкции различают следующие виды электрических топливных насосов:

  1.  роликовый насос;
  2.  шестеренный насос;
  3.  центробежный насос.

В роликовом насосе топливо всасывается и нагнетается за счет вращения ротора и перемещения в нем роликов. При увеличении пространства между роликом и ротором создается разряжение, и топливо заполняет это пространство. Когда пространство заполнится полностью, подача топлива отсекается. По мере вращения ротора происходит уменьшение пространства, открывается выпускное отверстие и топливо под давлением покидает насос.

Аналогичным образом происходит работашестеренного насоса, где топливо всасывается и нагнетается посредством движения внутренней шестерни (ротора) относительно эксцентрично расположенной внешней шестерни (статора). Боковые стороны зуба ротора при вращении образуют в своих промежутках меняющиеся камеры, с помощью которых всасывается и нагнетается топливо.

В силу особенностей конструкции роликовый и шестеренный насосы устанавливаются в топливопроводе. В современных системах впрыска предпочтение отдается центробежным (лопастным) насосам, которые обеспечивают равномерную (без пульсаций) подачу топлива и производят мало шума. Вместе с тем, центробежные насосы имеют ограничения по создаваемому давлению и производительности.

Центробежный топливный насосустанавливается, как правило, в топливном баке. Рабочее колесо (крыльчатка) центробежного насоса снабжено по периметру многочисленными лопатками. Крыльчатка вращается внутри камеры, в которой находятся два канала определенной формы – всасывающий и нагнетательный. Завихрения топлива, возникающие при воздействии на него лопаток, обеспечивают повышение давления.

Работа топливного насоса начинается по сигналу блока управления двигателем, при котором происходит активация реле насоса. Для обеспечения запуска двигателя электрический топливный насос начинает работу сразу с включением зажигания. На некоторых автомобилях включение насоса происходит при открытии водительской двери, т.е. еще до запуска двигателя в топливной системе создается рабочее давление. Электрический топливный насос поддерживает давление топлива в узких пределах. Давление регулируется путем изменения напряжения или с помощью предохранительного клапана.

Датчик уровня топлива в составе топливной системы служит для определения уровня топлива в топливном баке автомобиля. Датчик устанавливается непосредственно в топливном баке. Датчик уровня топлива используется совместно с указателем уровня топлива, который в свою очередь располагается на приборной панели.

Устройство датчика уровня топлива

На современных автомобилях в качестве датчика уровня топлива используется потенциометрический датчик перемещения. Преимуществами потенциометрического датчика являются простота конструкции, надежность измерений, низкая стоимость. К недостаткам можно отнести наличие подвижных контактов, подверженных со временем износу и окислению.

В топливной системе автомобиля применяются потенциометрические датчики двух типов – рычажные и трубчатые. Чувствительным элементом обоих типов датчиков является поплавок, который всегда находится на поверхности топлива. Поплавок изготавливается из пенопласта, полой пластмассы или тонкого металла.

Устройство датчика уровня топлива рычажного типа

В датчике уровня топлива рычажного типа поплавок соединен металлическим рычагом с подвижным контактом потенциометра. Сам потенциометр представляет собой электрическое устройство, работа которого заключается в создании сопротивления току. Потенциометр выполнен в виде сектора, на который нанесены полосы резистивного материала. В качестве основы потенциометра могут использоваться долговечные толстопленочные резисторы.

Датчик уровня топлива рычажного типа используется в составе блока подачи топлива (кроме датчика блок включает топливный насос с топливозаборником) или отдельно. В силу своей конструкции датчик уровня топлива рычажного типа универсален, т.е. может использоваться на всех топливных баках без ограничений.

Устройство датчика уровня топлива трубчатого типа

Датчик уровня топлива трубчатого типавключает трубку, в которой по направляющей перемещается поплавок. Параллельно направляющей расположены провода сопротивлений. На них замыкаются контактные кольца на поплавке. Основным преимуществом датчика трубчатого типа является устойчивость к колебаниям уровня топлива при изменении положения автомобиля в движении (поворот, подъем, спуск и т.д.). Датчик имеет ограничения в использовании, обусловленные геометрическими параметрами топливного бака.

Использование в двигателях внутреннего сгорания новых видов топлива (этанол, метанол, биодизель) исключает применение контактных датчиков для измерения уровня топлива. Причина - ускоренный износ контактных поверхностей датчика в агрессивной среде. Для подобных условий работы предлагаются бесконтактные датчики уровня топлива, например, неактивный магнитный датчик положения (magnetic passive positioning sensor, MAPPS).

Чувствительный элемент датчика MAPPS герметично закрыт и не вступает в контакт с топливом. Измерения производятся с помощью традиционного поплавка, соединенного рычагом с постоянным магнитом. Магнит перемещается по сектору. На секторе лучами закреплено множество металлических пластин различной длины. Магнитное поле формирует в каждой отдельной пластине электрический сигнал определенной величины. Сигнал снимается с датчика и соответствует определенному уровню топлива.

Работа датчика уровня топлива

Работа датчика уровня топлива построена по принципу - каждому значению уровня топлива в баке соответствует определенный сигнал датчика. На этом можно было бы закончить, но современные топливные баки имеют сложную форму (адаптированы к пространству кузова автомобиля), а зависимость уровня топлива от его остатка в баке носит нелинейный характер.

Помимо этого, конструкция датчика уровня топлива такова, что топливо должно опуститься ниже определенного уровня, прежде чем поплавок начнет опускаться. Указатель уровня топлива некоторое время показывает полный бак, и только потом начинает опускаться. В итоге все датчики уровня топлива выдают некоторую погрешность в измерении искомой величины.

В зависимости от вида выходного сигнала различают датчики с аналоговым и цифровым сигналом. Аналоговый выходной сигнал представляет собой изменение напряжения на потенциометре. Аналоговые датчики имеют высокую погрешность измерений, поэтому в настоящее время почти не используются.

В цифровом датчике микропроцессор преобразует аналоговый сигнал в «цифру», а также производит корректировку и выравнивание погрешности измерений, вызванной колебанием уровня топлива и геометрией топливного бака. Цифровые датчики уровня топлива обеспечивают достаточно высокую точность измерений. Погрешность в цифровом датчике присутствует только на этапе физических измерений уровня топлива.

Впускная система (другое наименование – система впуска) предназначена для впуска в двигатель необходимого количества воздуха и образования топливно-воздушной смеси. Термин «впускная система» появился с развитием конструкции двигателей внутреннего сгорания, особенно с появлением системы непосредственного впрыска топлива. Оборудование для питания двигателя воздухом перестало быть просто воздуховодом, а превратилось в отдельную систему.

В своей работе система впуска взаимодействует со многими системами двигателя, в том числе:

  1.  системой впрыска;
  2.  системой рециркуляции отработавших газов;
  3.  системой улавливания паров бензина;
  4.  вакуумным усилителем тормозов.

Взаимодействие перечисленных систем и еще ряда других систем обеспечивает система управления двигателем.

Для улучшения наполнения цилиндров воздухом, повышения мощности в конструкции системы впуска современных бензиновых и дизелных двигателей используется турбонаддув.

Впускная система имеет следующее общее устройство:

  1.  воздухозаборник;
  2.  воздушный фильтр;
  3.  дроссельная заслонка;
  4.  впускной коллектор;
  5.  впускные заслонки (на отдельных конструкциях двигателей);
  6.  соединительные патрубки;
  7.  конструктивные элементы системы управления двигателем.

Схема впускной системы

Воздухозаборник обеспечивает забор воздуха из атмосферы и представляет собой патрубок определенной формы.

Воздушный фильтр служит для очистки воздуха от механических частиц. Фильтрующий элемент изготавливается из специальной бумаги и размещается в отдельном корпусе. Фильтрующий элемент воздушного фильтра является расходным материалом, т.е. имеет ограниченный срок службы. В зависимости от условий эксплуатации автомобиля срок службы фильтрующего элемента может изменяться.

Дроссельная заслонка регулирует величину поступающего воздуха в соответствии с величиной впрыскиваемого топлива. На современных двигателях дроссельная заслонка приводится в действие с помощью электродвигателя и не имеет механической связи с педалью газа.

Впускной коллектор распределяет поток воздуха по цилиндрам двигателя и придает ему необходимое движение. Разряжение, возникаемое во впускном коллекторе используется в работе вакуумного усилителя тормозов, а также для привода впускных заслонок.

На двигателях с непосредственным впрыском топлива в дополнение к дроссельной заслонке устанавливаются впускные заслонки. Они обеспечивают процесс смесеобразования за счет разделения воздуха на два впускных канала. Один канал перекрывает заслонка, через другой – воздух проходит безпрепятственно. Впускные заслонки установлены на общем валу, который поворачивается с помощью вакуумного или электрического привода.

Работу впускной системы обеспечивает система управления двигателем. Конструктивные элементы системы управления двигателем, которые используются в работе системы впуска, можно разделить на три группы:

  1.  входные датчики;
  2.  блок управления;
  3.  исполнительные устройства.

К примеру, впускная система двигателя с непосредственным впрыском топлива имеет следующие датчики:

  1.  расходомер воздуха;
  2.  датчик температуры воздуха на впуске;
  3.  датчик положения дроссельной заслонки;
  4.  датчик давления во впускном коллекторе;
  5.  датчик положения впускной заслонки;
  6.  датчик положения клапана рециркуляции;
  7.  датчик давления в магистрали вакуумного усилителя тормозов.

Расходомер воздуха и датчик температуры воздуха на впускеслужат для определения нагрузки на двигатель. На некоторых моделях двигателей расходомер воздуха не устанавливается. Его функции выполняет датчик давления во впускном коллекторе. При совместной установке расходомер воздуха и датчик давления во впускном коллекторе дублируют друг друга. Датчик давления во впускном коллекторе также используется в работе системы рециркуляции отработавших газов для расчета количества перепускаемых газов. Величина нагрузки двигателя определяется с помощью датчика температуры воздуха на впуске и дополнительногодатчика атмосферного давления. Остальные датчики обеспечивают работу соответствующих систем.

Работой впускной системы управляют следующие исполнительные устройства:

  1.  блок управления дроссельной заслонкой;
  2.  электродвигатель привода впускных заслонок или клапан управления вакуумным приводом заслонок (на двигателе с непосредственным впрыском топлива);
  3.  запорный клапан системы улавливания паров бензина;
  4.  электромагнитный клапан системы рециркуляции отработавших газов.

Исполнительные устройства активирует блок управления двигателем.

Принцип работы впускной системы

Работа впускной системы основана на разности давлений в цилиндре двигателя и атмосфере, возникающей на такте впуска. Объем поступающего воздуха при этом пропорционален объему цилиндра. Величина поступающего воздуха регулируется положением дроссельной заслонки в зависмости от режима работы двигателя.

На двигателях с непосредственным впрыском топлива в дополнение к дроссельной заслонке работают впускные заслонки. Совместная работа дроссельной и впускных заслонок обеспечивает несколько видов смесеобразования:

  1.  послойное смесеобразование;
  2.  бедное гомогенное смесеобразование;
  3.  стехиометрическое гомогенное смесеобразование.

Послойное смесеобразование используется при работе двигателя на малых и средних оборотах и нагрузках. При послойном смесеобразовании дроссельная заслонка большую часть времени открыта полностью. Заслонка прикрывается только для обеспечения разряжения, необходимого в работе системы улавливания паров бензина (продувка адсорбера), системы рециркуляции отработавших газов (перепуск отработавших газов во впускной коллектор) и вакуумного усилителя тормозов (создание необходимого разрежения). Впускные заслонки закрыты.

Стехиометрическое (легковоспламеняемое) гомогенное(однородное) смесеобразование применяется при высоких оборотах двигателя и больших нагрузках. Дроссельная заслонка открывается в соответствии с требуемым крутящим моментом. Впускные заслонки открыты.

На бедной гомогенной смеси двигатель работает в промежуточных режимах. Дроссельная заслонка открывается также в соответствии с требуемым крутящим моментом. Впускные заслонки закрыты.

Система изменения фаз газораспределения (общепринятое международное название Variable Valve TimingVVT) предназначена для регулирования параметров работыгазораспределительного механизма в зависимости от режимов работы двигателя. Применение данной системы обеспечивает повышение мощности и крутящего момента двигателя, топливную экономичность и снижение вредных выбросов.

К регулируемым параметрам работы газораспределительного механизма относятся:

  1.  момент открытия (закрытия) клапанов;
  2.  продолжительность открытия клапанов;
  3.  высота подъема клапанов.

В совокупности эти параметры составляют фазы газораспределения – продолжительность тактов впуска и выпуска, выраженную углом поворота коленчатого валаотносительно «мертвых» точек. Фаза газораспределения определяется формой кулачка распределительного вала, воздействующего на клапан.

На разных режимах работы двигателя требуется разная величина фаз газораспределения. Так, при низких оборотах двигателя фазы газораспределения должны иметь минимальную продолжительность («узкие» фазы). На высоких оборотах, наоборот, фазы газораспределения должны быть максимально широкими и при этом обеспечивать перекрытие тактов впуска и выпуска (естественную рециркуляцию отработавших газов).

Кулачок распределительного вала имеет определенную форму и не может одновременно обеспечить узкие и широкие фазы газораспределения. На практике форма кулачка представляет собой компромисс между высоким крутящим моментом на низких оборотах и высокой мощностью на высоких оборотах коленчатого вала. Это противоречие, как раз и разрешает система изменения фаз газораспределения.

В зависимости от регулируемых параметров работы газораспределительного механизма различают следующие способы изменяемых фаз газораспределения:

  1.  поворот распределительного вала;
  2.  применение кулачков с разным профилем;
  3.  изменение высоты подъема клапанов.

Наиболее распространенными являются системы изменения фаз газораспределения, использующие поворот распределительного вала:

  1.  VANOS (Double VANOS) от BMW;
  2.  VVT-i (Dual VVT-i), Variable Valve Timing with intelligence от Toyota;
  3.  VVT, Variable Valve Timing от Volkswagen;
  4.  VTC, Variable Timing Control от Honda;
  5.  CVVT, Continuous Variable Valve Timing от Hyundai, Kia, Volvo, General Motors;
  6.  VCP, Variable Cam Phases от Renault.

Принцип работы данных систем основан на повороте распределительного вала по ходу вращения, чем достигается раннее открытие клапанов по сравнению с исходным положением.

Система изменения фаз газораспределения данного типа имеет следующее общее устройство:

  1.  гидроуправляемая муфта;
  2.  система управления.

Схема системы автоматического изменения фаз газораспределения

Гидроуправляемая муфта(обиходное название фазовращатель) непосредственно осуществляет поворот распределительного вала. Муфта состоит из ротора, соединенного с распределительным валом, и корпуса, в роли которого выступает шкив привода распределительного вала. Между ротором и корпусом имеются полости, к которым по каналам подводится моторное масло. Заполнение той или иной полости маслом обеспечивает поворот ротора относительно корпуса и соответственно поворот распределительного вала на определенный угол.

В большинстве своем гидроуправляемая муфта устанавливается на распределительный вал впускных клапанов. Для расширения параметров регулирования в отдельных конструкциях муфты устанавливаются на впускной и выпускной распределительные валы.

Система управления обеспечивает автоматическое регулирование работы гидроуправляемой муфты. Конструктивно она включает входные датчики, электронный блок управления и исполнительные устройства. В работе системы управления используются датчики Холла, оценивающие положения распределительных валов, а также другие датчики системы управления двигателем: частоты вращения коленчатого вала, температуры охлаждающей жидкости, расходомер воздуха. Блок управления двигателем принимает сигналы от датчиков и формирует управляющие воздействия на исполнительное устройство – электрогидравлический распределитель. Распределитель представляет собой электромагнитный клапан и обеспечивает подвод масла к гидроуправляемой муфте и отвод от нее в зависимости от режимов работы двигателя.

Система изменения фаз газораспределения предусматривает работу, как правило, в следующих режимах:

  1.  холостой ход (минимальные обороты коленчатого вала);
  2.  максимальная мощность;
  3.  максимальный крутящий момент.

Другая разновидность системы изменения фаз газораспределения построена на применении кулачков различной формы, чем достигается ступенчатое изменение продолжительности открытия и высоты подъема клапанов. Известными такими системами являются:

  1.  VTEC, Variable Valve Timing and Lift Electronic Control от Honda;
  2.  VVTL-i, Variable Valve Timing and Lift with intelligence от Toyota;
  3.  MIVEC, Mitsubishi Innovative Valve timing Electronic Control отMitsubishi;
  4.  Valvelift System от Audi.

Данные системы имеют, в основном, схожую конструкцию и принцип действия, за исключением Valvelift System. К примеру, одна из самых известных система VTEC включает:

  1.  набор кулачков различного профиля;
  2.  систему управления.

Схема системы VTEC

Распределительный вал имеет два малых и один большой кулачок. Малые кулачки через соответствующие коромысла (рокеры) соединены с парой впускных клапанов. Большой кулачок перемещает свободное коромысло.

Система управления обеспечивает переключение с одного режима работы на другой путем срабатывания блокирующего механизма. Блокирующий механизм имеет гидравлический привод. При низких оборотах двигателя (малой нагрузке) работа впускных клапанов производится от малых кулачков, при этом фазы газораспределения характеризуются малой продолжительностью. При достижении оборотов двигателя определенного значение система управления приводит в действие блокирующий механизм. Коромысла малых и большого кулачков соединяются с помощью стопорного штифта в одно целое, при этом усилие на впускные клапаны передается от большого кулачка.

Другая модификация системы VTEC имеет три режима регулирования, определяемые работой одного малого кулачка (открытие одного впускного клапана, малые обороты двигателя), двух малых кулачков (открытие двух впускных клапанов, средние обороты), а также большого кулачка (высокие обороты).

Современной системой изменения фаз газораспределения от Honda является система I-VTEC, объединяющая системы VTEC и VTC. Данная комбинация существенным образом расширяет параметры регулирования двигателя.

Наиболее совершенная с конструктивной точки зрения разновидность системы изменения фаз газораспределения основана на регулировании высоты подъема клапанов. Данная система позволяет отказаться от дроссельной заслонки на большинстве режимов работы двигателя. Пионером в этой области является компания BMW и ее система Valvetronic. Аналогичный принцип использован и в других системах:

  1.  Valvematic от Toyota;
  2.  VEL, Variable Valve Event and Lift System от Nissan;
  3.  MultiAir от Fiat;
  4.  VTI, Variable Valve and Timing Injection от Peugeot.

Схема системы Valvetronic

В системе Valvetronic изменение высоты подъема клапанов обеспечивает сложная кинематическая схема, в которой традиционная связь кулачок-коромысло-клапан дополнена эксцентриковым валом и промежуточным рычагом. Эксцентриковый вал получает вращение от электродвигателя через червячную передачу. Вращение эксцентрикового вала изменяет положение промежуточного рычага, который, в свою очередь, задает определенное движение коромысла и соответствующее ему перемещение клапана. Изменение высоты подъема клапана осуществляется непрерывно в зависимости от режимов работы двигателя.

Система Valvetronic устанавливается только на впускные клапаны.

Система изменения геометрии впускного коллектора является одной из востребованных технологий повышения мощности двигателя, экономии топлива, снижения токсичности отработавших газов.

Изменение геометрии впускного коллектора может быть реализованодвумя способами:

  1.  изменением длины впускного коллектора;
  2.  изменение поперечного сечения впускного коллектора.

В ряде случаев изменение геометрии впускного коллектора на одном двигателя осуществляется одновременно двумя способами.

Впускной коллектор переменной длины

Впускной коллектор переменной длины применяется в атмосферных бензиновых и дизельных двигателях для обеспечения лучшего наполнения камеры сгорания воздухом на всем диапазоне оборотов двигателя.

На низких оборотах двигателя требуется достижение максимального крутящего момента как можно быстрее, для чего используетсядлинный впускной коллектор. Высокие обороты выводят двигатель на максимальную мощность прикоротком впускном коллекторе.

Впускной коллектор переменной длины используют в конструкции двигателей многие производители, некоторые дали системе собственные названия:

  1.  Dual-Stage IntakeDSI от Ford;
  2.  Differential Variable Air IntakeDIVA от BMW;
  3.  Variable Inertia Charging SystemVICSVariable Resonance Induction SystemVRIS от Mazda.

Регулирование длины впускного коллектора (переключение с одной длины на другую) производится с помощью клапана, входящего в состав системы управления двигателем.

Работа впускного коллектора переменной длиныосуществляется следующим образом. При закрытии впускных клапанов во впускном коллекторе остается часть воздуха, которая совершает колебания с частотой пропорциональной длине коллектора и оборотам двигателя. В определенный момент колебания воздуха входят в резонанс, чем достигается эффект нагнетания – т.н. резонансный наддув. При открытии впускных клапанов воздушная смесь в камеры сгорания нагнетается с большим давлением.

В надувных двигателях впускной коллектор переменной длины не используется, т.к. необходимый объем воздуха в камере сгорания обеспечивается механическим и (или) турбокомпрессором. Впускной коллектор в таких двигателях очень короткий, что сокращает размеры двигателя и его стоимость.

Впускной коллектор переменного сечения

Впускной коллектор переменного сечения применяется как на бензиновых, так и на дизельных двигателях, в т.ч. оборудованных наддувом. При уменьшении поперечного сечения каналов впускного коллектора достигается увеличение скорости воздушного потока, лучшее смесеобразование и соответственно обеспечивается полное сгорание топливно-воздушной смеси, снижение токсичности отработавших газов.

Известными системами впуска переменного сечения являются:

  1.  Intake Manifold Runner ControlIMRCCharge Motion Control Valve,CMCV от Ford;
  2.  Twin Port от Opel;
  3.  Variable Intake SystemVIS от Toyota;
  4.  Variable Induction SystemVIS от Volvo.

Схема системы изменения геометрии впускного коллектора

В системе впускной канал к каждому цилиндру разделен на два канала (отдельный канал на каждый впускной клапан), один из которых перекрыт заслонкой. Привод заслонки осуществляет вакуумный регулятор или электродвигатель, являющийся исполнительным устройством системы управления двигателем.

При частичной нагрузке заслонки закрыты, топливно-воздушная смесь (двигатели с распределенным впрыском) или воздух (двигатели с непосредственным впрыском) поступает в камеру сгорания каждого из цилиндров по одному каналу. При этом создаются завихрения, которые обеспечивают лучшее смесеобразование. При уменьшении сечения впускного коллектора раньше вступает в работу система рециркуляции отработавших газов, тем самым повышается топливная экономичность двигателя.

При полной нагрузке заслонки впускного коллектора открываются, увеличивается подача воздуха (топливно-воздушной смеси) в камеры сгорания и соответственно повышается мощность двигателя

Турбонаддув - вид наддува, при котором воздух в цилиндры двигателя подается под давлением за счет использования энергии отработавших газов.

В настоящее время турбонаддув является наиболее эффективной системой повышения мощности двигателя без увеличения частоты вращения коленчатого вала и объема цилиндров. Помимо повышения мощности турбонаддув обеспечиваетэкономию топлива в расчете на единицу мощности и снижение токсичности отработавших газовза счет более полного сгорания топлива.

Система турбонаддува применяется как на бензиновых, так и на дизельных двигателях. Вместе с тем, наиболее эффективен турбонаддув на дизелях вследствие высокой степени сжатия двигателя и относительно невысокой частоты вращения коленчатого вала. Сдерживающими факторами применения турбонаддува на бензиновых двигателях являются возможность наступления детонации, которая связана с резким увеличением частоты вращения двигателя, а также высокая температура отработавших газов (1000°С против 600°С у дизелей) и соответствующий нагрев турбонагнетателя.

Несмотря на различия в конструкции отдельных систем, можно выделить следующее общее устройство турбонаддува:

  1.  воздухозаборник;
  2.  воздушный фильтр;
  3.  дроссельная заслонка;
  4.  турбокомпрессор;
  5.  интеркулер;
  6.  впускной коллектор;
  7.  впускные заслонки (на некоторых конструкциях двигателей);
  8.  соединительные патрубки и напорные шланги;
  9.  элементы управления.

Большинство элементов турбонаддува являются типовыми элементами впускной системы. Отличительной особенностью турбонаддува является наличие турбокомпрессора, интеркулера и новых конструктивных элементов управления.

Турбокомпрессор (другое наименование – турбонагнетатель, газотурбинный нагнетатель) является основным конструктивным элементом турбонаддува и обеспечивает повышение давления воздуха во впускной системе. Конструкция турбокомпрессора включает:

  1.  турбинное колесо;
  2.  корпус турбины;
  3.  компрессорное колесо;
  4.  корпус компрессора;
  5.  вал ротора;
  6.  корпус подшипников.

Устройство турбокомпрессора (турбонагнетателя)

Турбинное колесо воспринимает энергию отработавших газов. Колесо вращается в корпусе специальной формы. Турбинное колесо и корпус турбины изготавливаются из жаропрочных материалов (сплавы, керамика).

Компрессорное колесо всасывает воздух, сжимает и нагнетает его в цилиндры двигателя. Компрессорное колесо также вращается в специальном корпусе.

Турбинное и компрессорное колеса жестко закреплены на валу ротора. Вал вращается в подшипниках скольжения. Подшипники плавающего типа, т.е. имеют зазор со стороны корпуса и вала. Подшипники смазываются моторным маслом системы смазки двигателя. Масло подается по каналам в корпусе подшипников. Для герметизации масла на валу установлены уплотнительные кольца.

В некоторых конструкциях бензиновых двигателей для улучшения охлаждения дополнительно к смазке применяется жидкостное охлаждение турбонагнетателей. Курпус подшипников турбонагнеталея включен в двухконтурную систему охлаждениядвигателя.

Интеркулер предназначен для охлаждения сжатого воздуха. За счет охлаждения сжатого воздуха повышается его плотность и увеличивается давление. Интеркулер представляет собой радиатор воздушного или жидкостного типа .

Основным элементом управления системы турбонаддува являетсярегулятор давления наддува, который представляет собой перепускной клапан (вейстгейт, wastegate). Клапан ограничивает энергию отработавших газов, направляя их часть в обход турбинного колеса, тем самым обеспечивает оптимальное давление наддува. Клапан имеет пневматический или электрический привод. Срабатывание перепускного клапана производится на основании сигналов датчика давления наддува системой управления двигателем.

В воздушном тракте высокого давления (после компрессора) может устанавливаться предохранительный клапан. Он защищает системы от скачка давления воздуха, который может произойти при резком закрытии дроссельной заслонки. Избыточное давление может стравливаться в атмосферу с помощью блуофф-клапана (blowoff) или перепускаться на вход компрессора с помощью байпас-клапана (bypass).

Принцип работы турбонаддува

Работа системы турбонаддува основана на использовыании энергии отработавших газов. Отработавшие газы вращают турбинное колесо, которое через вал ротора вращает компрессорное колесо. Компрессорное колесо сжимает воздух и нагнетает его в систему. Нагретый при сжатии воздух охлаждается в интеркулере и поступает в цилиндры двигателя.

Несмотря на то, что турбонаддув не имеет жесткой связи с коленчатым валом двигателя, эффективность работы системы во многом зависит от числа оборотов двигателя. Чем выше частота вращения коленчатого вала двигателя, тем выше энергия отработавших газов, быстрее вращается турбина, больше сжатого воздуха поступает в цилиндры двигателя.

В силу конструкции, турбонаддув имеет ряд негативных особенностей:

  1.  задержка увеличения мощности двигателя при резком нажатии на педаль газа, т.н. «турбояма» (turbolag);
  2.  резкое увеличение давления наддува после преодоления «турбоямы», т.н. «турбоподхват».

«Турбояма» обусловлена инерционностью системы (для повышения давления наддува при резком нажатии на педаль газа требуется определенное время), которая приводит к несоответствию между потребной мощностью и производительностью компрессора. Существует несколько способов решения данной проблемы:

  1.  применение турбины с изменяемой геометрией;
  2.  использование двух последовательных или параллельных турбокомпрессоров (twin-turdo или bi-turdo);
  3.  комбинированный наддув.

Турбина с изменяемой геометрией (VNT – турбина) обеспечивает оптимизацию потока отработавших газов за счет изменения площади входного канала. Турбины с изменяемой геометрией нашли широкое применение в турбонаддуве дизельных двигателей, к примерутурбонаддув двигателя TDI от Volkswagen.

Система с двумя параллельными турбокомпрессорамиприменяется в основном на мощных V-образных двигателях (по одному на каждый ряд цилиндров). Принцип работы системы основан на том, что две маленькие турбины обладают меньшей инерцией, чем одна большая.

При установке на двигатель двух последовательных турбинмаксимальная производительность системы достигается за счет использования разных турбокомпрессоров на разных оборотах двигателя. Некоторые производители идут еще дальше и устанавливают три последовательных турбокомпрессора - triple-turbo (BMW) и даже четыре турбокомпрессора - quad-turbo (Bugatti).

Комбинированный наддув (twincharger) объединяет механический и турбонаддув. На низких оборотах коленчатого вала двигателя сжатие воздуха обеспечивает механический нагнетатель. С ростом оборотов подхватывает турбокомпрессор, а механический нагнетатель отключается. Примером такой системы являетсядвойной наддув двигателя TSI от Volkswagen.

Система турбонаддува, в которой используется два турбокомпрессора, носит название Twin Turbo. Изначально два турбокомпрессора применялись для преодоления инерционности системы, т.н. турбозадержки (турбоямы). В дальнейшем область применения спаренных турбокомпрессоров расширилась и в настоящее время позволяет значительно повышать выходную мощность, поддерживать номинальный крутящий момент в широком диапазоне оборотов двигателя, снижать удельный расход топлива.

Различают три конструктивные схемы системы Twin Turbo: параллельную, последовательную и ступенчатую. Схемы различаются характеристиками, расположением и порядком работы турбокомпрессоров. Работу турбокомпрессоров регулирует электронная система управления, включающая входные датчики, блок управления и приводы клапанов управления потоком воздуха и отработавших газов.

Twin Turbo – торговое название системы турбонаддува, другое используемое название (синоним) Biturbo. В некоторых истониках информации под названием Biturbo понимается система с параллельной схемой работы турбокомпрессоров, что не совсем верно.

Параллельный Twin Turbo

Система параллельного Twin Turbo включает два одинаковых турбокомпрессора, работающих одновременно и параллельно друг другу. Параллельная работа реализуется путем равномерного разделения потока отработавших газов между турбокомпрессорами. Сжатый воздух от каждого компрессора поступает в общий впускной коллектор и далее распределяется по цилиндрам.

Параллельный Twin Turbo применяется в основном на V-образных дизельных двигателях. Каждый турбокомпрессор закреплен на своем выпускном коллекторе. Эффективность параллельной схемы турбонаддува базируется на том, что две небольшие турбины имеют меньшую инерционность, чем одна большая. За счет этого сокращается «турбояма», турбокомпрессоры работают на всех оборотах двигателя, обеспечивая быстрое повышение давления наддува.

Последовательный Twin Turbo

Система последовательного Twin Turbo включает два соизмеримых по характеристикам турбокомпрессора. Первый турбокомпрессор работает постоянно, второй включается в работу при определенных режимах работы двигателя (частота оборотов, нагрузка).

Схема системы Twin Turbo

Переход между режимами обеспечивает электронная система управления, которая регулирует поток отработавших газов ко второму турокомпрессору с помощью специального клапана. При полном открытии клапана управления подачей отработавших газов оба турбокомпрессора работают параллельно, поэтому правильно систему называть последовательно-параллельная. Сжатый воздух от двух турбокомпрессоров подается в общий впускной коллектор и распределяется по цилиндрам.

Система последовательного Twin Turbo минимизирует последствия турбозадержки и позволяет достичь максимальной выходной мощности. Применяется на бензиновых и дизельных двигателях. В 2011 году компания BMW представила систему с тремя последовательными турбокомпрессорами – Triple Turbo.

Двухступенчатый турбонаддув

Самой совершенной в техническом плане является система двухступенчатого турбонаддува. С 2004 года система двухступенчатого турбонаддува применяется на ряде дизельных двигателей от Opel. Другой производитель - компания BorgWarner Turbo Systems внедряет систему на дизельные двигатели BMW и Cummins.

Схема двухступенчатого турбонаддува

Система двухступенчатого турбонаддува состоит из двух турбокомпрессоров разного размера, установленных последовательно в выпускном и впускном (воздушном) трактах. В системе используется клапанное регулирование потока отработавших газов и нагнетаемого воздуха.

При низких оборотах двигателя перепускной клапан отработавших газов закрыт. Отработавшие газы проходят через малый турбокомпрессор (имеет минимальную инерцию и максимальную отдачу) и далее через большой турбокомпрессор. Давление отработавших газов невелико. Поэтому большая турбина почти не вращается. На впуске перепускной клапан наддува закрыт. Воздух проходит последовательно через большой (первая ступень) и малый (вторая ступень) компрессоры.

С ростом оборотов осуществляется совместная работа турбокомпрессоров. Перепускной клапан отработавших газов постепенно открывается. Часть отработавших газов идет непосредственно через большую турбину, которая раскручивается все более интенсивно. На впуске большой компрессор сжимает воздух с определенным давлением, но оно недостаточно большое. Поэтому далее сжатый воздух поступает в малый компрессор, где происходит дальнейшее повышение давления. Перепускной клапан наддува при этом по прежнему закрыт.

При полной нагрузке перепускной клапан отработавших газов открыт полностью. Газы практически полностью проходят через большую турбину, раскручивая ее до максимальной частоты. Малая турбина останавливается. На впуске большой компрессор обеспечивает максимальное давление наддува. Малый компрессор, наоборот, создает препятствие для воздуха, поэтому в определенный момент открывается перепускной клапан наддува и сжатый воздух поступает напрямую к двигателю.

Таким образом, система двухступенчатого турбонаддува обеспечивает эффективную работу турбокомпрессоров на всех режимах работы двигателя. Система разрешает известное противоречие дизельных двигателей между высоким крутящим моментом на низких оборотах и максимальной мощностью на высоких оборотах. С помощью двухступенчатых турбокомпрессоров номинальный крутящий момент достигается быстро и поддерживается в широком диапазоне оборотов двигателя, обеспечивается максимальное повышение мощности.

Двигатель TSI (Turbo Stratified Injection, дословно - турбонаддув и послойный впрыск) объединяет последние достижения конструкторской мысли – непосредственный впрыск топлива итурбонаддув.

Концерн Volkswagen разработал и предлагает на своих автомобилях линейку двигателей TSI, различающихся по конструкции, объему двигателя, мощностным показателям. В конструкции двигателей TSI производителем реализовано два подхода:

  1.  двойной наддув;
  2.  турбонаддув.

Аббревиатура TSI является запатентованным товарным знаком концерна Volkswagen.

Двойной наддув двигателя TSI

Двойной наддув осуществляется в зависимости от потребности двигателя двумя устройствами: механическим нагнетателем и турбокомпрессором. Комбинированное применение данных устройств позволяет реализовать номинальный крутящий момент в широком диапазоне оборотов двигателя.

Схема двойного наддува двигателя TSI

В конструкции двигателя используется механический нагнетатель типа Roots. Он представляет собой два ротора определенной формы, помещенных в корпус. Роторы вращаются в противоположные стороны, чем достигается всасывание воздуха с одной стороны, сжатие и нагнетание – с другой. Механический нагнетатель имеет ременной привод от коленчатого вала. Привод активизируется с помощью магнитной муфты. Для регулировки давления наддува параллельно компрессору установлена регулировочная заслонка.

На двигателе TSI с двойным наддувом установлен стандартныйтурбокомпрессор. Охлаждение наддувочного воздуха осуществляется интеркулером воздушного типа.

Эффективную работу двойного наддува обеспечивает система управления двигателем. Для этого в конструкцию системы включены дополнительные элементы, в том числе:

входные датчики

  1.  датчик давления во впускном трубопроводе;
  2.  датчик давления наддува;
  3.  датчик давления во впускном коллекторе;
  4.  потенциометр регулирующей заслонки.

исполнительные механизмы

  1.  магнитная муфта;
  2.  серводвигатель регулирующей заслонки;
  3.  клапан ограничения давления наддува;
  4.  клапан рециркуляции турбокомпрессора.

Датчики отслеживают давление наддува в различных местах системы: после механического нагнетателя, после турбокомпрессора и после интеркулера. Каждый из датчиков давления объединен с датчиками температуры воздуха.

Магнитная муфта включается по сигналам блока управления двигателем, при которых на магнитную катушку подается напряжение. Магнитное поле притягивает фрикционный диск и замыкает его со шкивом. Механический компрессор начинает вращаться. Работа компрессора производится до тех пор, пока на магнитную катушку подается напряжение.

Серводвигатель поворачивает регулирующую заслонку. При закрытой заслонке весь всасывающий воздух проходит через компрессор. Регулирование давления наддува механического компрессора производится путем открытия заслонки. При этом часть сжатого воздуха подается снова в компрессор, а давление наддува снижается. При неработающем компрессоре заслонка полностью открыта.

Клапан ограничения давления наддува срабатывает, когда энергия отработавших газов создает избыточное давление наддува. Клапан обеспечивает работу вакуумного привода, который в свою очередь открывает перепускной клапан. Часть отработавших газов идет мимо турбины.

Клапан рециркуляции турбокомпрессора обеспечивает работу системы на принудительном холостом ходу (при закрытой дроссельной заслонке). Он предотвращает создание избыточного давления в промежутке между турбокомпрессором и закрытой дроссельной заслонкой.

Принцип работы двойного наддува двигателя TSI

В зависимости от частоты вращения коленчатого вала двигателя (нагрузки) различают следующие режимы работы системы двойного наддува:

  1.  безнаддувный режим (до 1000 об/мин);
  2.  работа механического нагнетателя (1000-2400 об/мин);
  3.  совместная работа нагнетателя и турбокомпрессора (2400-3500 об/мин);
  4.  работа турбокомпрессора (свыше 3500 об/мин).

На холостых оборотах двигатель работает в безнаддувном режиме. Механический нагнетатель выключен, регулирующая заслонка открыта. Энергия отработавших газов невелика, турбокомпрессор не создает давления наддува.

С ростом числа оборотов, включается механический нагнетатель и закрывается регулирующая заслонка. Давление наддува, в основном, создает механический нагнетатель (0,17 МПа). Турбокомпрессор обеспечивает небольшое дополнительное сжатие воздуха.

При частоте вращения коленчатого вала двигателя в пределе 2400-3500 об/мин давление наддува создает турбокомпрессор. Механический нагнетатель подключается при необходимости, например, при резком ускорении (резком открытии дроссельной заслонки). Давление наддува может достигать 0,25 МПа.

Далее работа системы осуществляется только за счет турбокомпрессора. Механический нагнетатель выключен. Регулирующая заслонка открыта. Для предотвращения детонации с ростом числа оборотов давление наддува несколько падает. При частоте вращения 5500 об/мин оно составляет порядка 0,18 МПа.

Турбонаддув двигателя TSI

В данных двигателях наддув осуществляется исключительно турбокомпрессором. Конструкция турбокомпрессора обеспечивает достижение номинального крутящего момента уже при низких оборотах двигателя и поддержание его в широком пределе (от 1500 до 4000 об/мин). Выдающиеся характеристики турбокомпрессора получены за счет максимального снижения инерции вращающихся частей: уменьшен наружный диаметр рабочего колеса турбины и компрессора.

Схема турбонаддува двигателя TSI

Регулирование наддува в системе традиционно осуществляется с помощью перепускного клапана. Клапан может иметь пневматический или электрический привод. Работу пневматического привода обеспечивает электромагнитный клапан ограничения давления наддува. Электрический привод представлен электрическим направляющим устройством, состоящим из электродвигателя, зубчатой передачи, рычажного механизма и датчика положения устройства.

В двигателе с турбонаддувом, в отличие от двойного наддува, используется жидкостная система охлаждения наддувочного воздуха. Она имеет независимый от системы охлаждения двигателя контур и образует с ней двухконтурную систему охлаждения. Система охлаждения наддувочного воздуха включает: охладитель наддувочного воздуха, насос, радиатор и систему трубопроводов. Охладитель наддувочного воздуха размещен в впускном коллекторе. Охладитель состоит из алюминиевых пластин, через которые проходят трубы системы охлаждения.

Охлаждение наддувочного воздуха производится по сигналу блока управления двигателем включением насоса. Поток нагретого воздуха проходит через пластины, отдает им тепло, а те, в свою очередь, отдают его жидкости. Охлаждающая жидкость движется по контуру с помощью насоса, охлаждается в радиаторе и далее по кругу.

Двигатель TDI (Turbocharged Direct Injection, дословно - турбонагнетатель и непосредственный впрыск) является современным дизельным двигателем с турбонаддувом. Двигатель разработан концерном Volkswagen, а название TDI является зарегистрированным товарным знаком.

Турбоанддув двигателя TDI обеспечивает высокую динамику автомобиля, экономичность и экологическую безопасность. Для создания оптимального давления наддува в широком диапазоне скоростных режимов в конструкции двигателя используетсятурбокомпрессор с изменяемой геометрией турбины. Турбокомпрессор имеет два общепринятых названия, которые используются разными производителями:

  1.  VGTVariable Geometry Turbocharger (дословно – турбокомпрессор с изменяемой геометрией) применяет BorgWarner;
  2.  VNTVariable Nozzle Turbine (дословно – турбина с переменным соплом) применяет Garrett.

 

Схема турбонаддува двигателя TDI

В отличие от обычноготурбокомпрессора турбонагнетатель с изменяемой геометрией может регулировать направление и величину потока отработавших газов, чем достигается оптимальная частота вращения турбины и соответственно производительность компрессора.

 

VNT-турбина объединяет направляющие лопатки, механизм управления и вакуумный привод.

Схема турбины с изменяемой геометрией (VNT-турбины)

Направляющие лопаткипредназначены для изменения скорости и направления потока отработавших газов за счет изменения величины сечения канала. Они поворачиваются на определенный угол вокруг свой оси.

Поворот лопаток производится с помощью механизма управления. Механизм состоит из кольца и рычага. Срабатывание механизма управления обеспечиваетвакуумный привод, воздействующий через тягу на рычаг управления. Работа вакуумного привода регулируется клапаном ограничения давления наддува, подключенным к системе управления двигателем. Клапан ограничения давления наддува срабатывает в зависимости от величины давления наддува, измеряемой двумя датчиками: датчиком давления наддува и датчиком температуры воздуха на впуске.

Принцип работы наддува двигателя TDI

При работе системы наддува двигателя TDI обеспечивается оптимальное давление воздуха в широком диапазоне частоты вращения двигателя. Это достигается за счет регулирования энергии потока отработавших газов.

При низких оборотах двигателя энергия отработавших газов невелика. Для эффективного ее использования направляющие лопатки находятся в закрытом положении, при котором площадь канала отработавших газов наименьшая. За счет малой площади сечения поток отработавших газов усиливается и заставляет турбину вращаться быстрее. Соответственно быстрее вращается компрессорное колесо, а производительность турбокомпрессора увеличивается.

При резком увеличении оборотов двигателя, вследствие инерционности системы, энергии отработавших газов становиться недостаточно. Поэтому для прохождения «турбоямы» лопатки поворачиваются с некоторой задержкой, чем достигается оптимальное давление наддува.

На высоких оборотах двигателя энергия отработавших газов максимальная. Для предотвращения избыточного давления наддува лопатки поворачиваются на максимальный угол, обеспечивая наибольшую площадь поперечного сечения канала.

В двигателях, оборудованных турбонаддувом, всасываемый воздух сжимается с увеличением плотности. Вместе с тем, термодинамический эффект от сжатия воздуха приводит к увеличению температуры до 200°С. Этому способствует и сам турбокомпрессор, нагреваемый отработавшими газами. При нагреве плотность воздуха снижается и соответственно снижается давление наддува. В бензиновых двигателях, кроме этого, горячий воздух увеличивает вероятность наступления детонации, а в отработавших газах в большом количестве образуются оксиды азота.

Для охлаждения, поступающего от турбокомпрессора воздуха, применяется интеркулер (intercooler, дословно – промежуточный охладитель, другое название – охладитель наддувочного воздуха). Интеркулер обеспечивает охлаждение воздуха до 50-60°С, чем достигается лучшее наполнение цилиндров и соответственно увеличивается мощность двигателя.

Как показывает практика, снижение температуры наддувочного воздуха на 10°С дает около 3% прироста мощности. При этом горение топливно-воздушной смеси становится более эффективным, повышается топливная экономичность и снижение вредных выбросов. В целом эффект от использования интеркулера составляет порядка 20% повышения мощности двигателя.

Но не все так гладко с применением интеркулера. Охлаждая наддувочный воздух, интеркулер создает препятствие для этого воздуха, а значит, снижается давление наддува. Поэтому интеркулер в системе турбонаддува это всегда компромисс эффекта и потерь для достижения этого эффекта.

По принципу охлаждения наддувочного воздуха различают два типа охладителей: воздушного охлаждения и водяного охлаждения. Благодаря своей простоте наибольшее распространение получилипромежуточные охладители воздушного типа. Интеркулер устанавливается между компрессором и впускным коллектором. Конструктивно охладитель представляет собой теплообменник, состоящий из системы труб и находящихся между ними пластин.

Трубы изменяют свое направление по длине, чем достигается увеличение общей длины теплообменника и лучшее охлаждение воздуха. С другой стороны каждый изгиб трубы представляет собой препятствие для воздуха и приводи к снижению давления наддува. Пластины увеличивают площадь поверхности интеркулера и обеспечивают лучшую теплоотдачу. В качестве материала для труб и пластин используется алюминий, обладающей высокой теплопроводностью. Реже применяется медь.

Интеркулер воздушного типа устанавливается в свободном месте в подкапотном пространстве:

  1.  в центральной части за передним бампером (в бампере выполняется соответствующий вырез);
  2.  над двигателем под капотом (в капоте выполняется воздухозаборник специальной формы);
  3.  в боковой части передних крыльев слева и справа (в крыльях выполняются воздухозаборники специальной формы).

Создание интеркулера для нужд конкретного двигателя заключается в определении множества конструктивных параметров: фронтальная площадь теплообменника, внутреннее проходное сечение, внутренний объем, толщина теплообменника, направление потока в теплообменнике и ряд других.

Интеркулер водяного типа имеет ряд неоспоримых преимуществ, в сравнении с воздушным собратом. Благодаря своей компактности водяной охладитель может быть установлен в любом свободном месте в подкапотном пространстве. Вода (охлаждающая жидкость) отводит тепло более интенсивно, поэтому эффективность водяного интеркулера значительно выше. Правда, при нагреве жидкости нужно больше времени для остывания.

За все преимущества приходится расплачиваться достаточно сложной конструкцией интеркулера, которая помимо водяного теплообменника включает воздушный радиатор, водяной насос, систему патрубков, электронный блок управления. Вместе с системой охлаждения двигателя они образуют двухконтурную систему охлаждения.

По причине сложности конструкции система охлаждения наддувочного воздуха водяного типа применяется достаточно редко, в случаях, когда воздушный охладитель применить невозможно. Например, водяной охладитель наддувочного воздуха применяется на некоторых двигателях TSI.

Турбокомпрессор (turbocharger) обеспечивает повышение давления во впускной системе за счет использования энергии отработавших газов. В результате его работы увеличивается масса воздуха в камерах сгорания. Турбокомпрессор является более эффективным устройством наддува в сравнении с механическим нагнетателем, т.к. не использует мощность двигателя для привода.

Но использование турбокомпрессора все же приводит к определенным потерям мощности. Находясь в выпускном тракте, турбокомпрессор создает препятствие для движения отработавших газов из цилиндров. Создаваемое противодавление заставляет двигатель выполнять большую работы по очистке цилиндров от продуктов сгорания, соответственно тратить на это мощность. Но в сравнении с приростом мощности от применения турбокомпрессора на 30-40%, данные потери незначительны.

Основная проблема применения турбокомпрессора заключается в отставании изменения выходной мощности в ответ на изменение давления отработавших газов, т.н. турбозадержка или турбояма(turbolag). Основными причинами турбоямы являются инерционность, силы трения и нагрузки турбокомпрессора.

Устройство турбокомпрессора (турбонагнетателя)

Турбокомпрессор состоит из трех основных элементов: турбины, центробежного компрессора и центрального корпуса. Турбинапреобразует кинетическую энергию отработавших газов во вращательное движение компрессора. Она объединяет турбинное колесо, помещенное в корпус специальной формы – улитку.

Отработавшие газы поступают в корпус, двигаются по его каналу и направляются на лопатки турбинного колеса. Колесо раскручивается до высокой скорости (до 250000 об/мин). Колесо приварено к валу, который передает вращение на колесо компрессора. Проходя через лопасти турбинного колеса, отработавшие газы покидают турбину через центральное отверстие и отводятся в выпускную систему.

Турбина работает в условиях высокой температуры, поэтому ее элементы изготавливаются из жаропрочных материалов: турбинное колесо - из железоникелевого сплава, корпус – из стали.

Производительность турбокомпрессора во многом определяется размером и формой турбины. В общем виде, чем больше турбина, тем выше производительность компрессора. Большой турбокомпрессор воспринимает большее давление отработавших газов и соответственно обеспечивает больший прирост мощности. Но при низких оборотах двигателя в нем наиболее остро наблюдается турбозадержка. Маленький турбокомпрессор раскручивается до номинальной скорости значительно быстрее, но имеет меньшую производительность.

Для регулирования давления наддува в корпусе турбины устанавливаетсяперепускной клапан (wastegate). Клапан имеет пневматический привод и регулируется системой управления двигателем.

Центральный корпус служит для размещения вала, позволяя ему вращаться с максимальной скоростью и минимальным трением. Вал вращается в одном или двух подшипниках. В качестве подшипников используются различные конструкции подшипников скольжения, реже – шарикоподшипники.

Смазка подшипников и вала производится системой смазки двигателя. Масло проходит через множество каналов между корпусом и подшипником, а также между подшипником и валом. Масло не только смазывает, но и охлаждает нагретые детали. В турбированных двигателях с искровым зажиганием центральный корпус включен в систему охлаждения двигателя, чем достигается лучшее охлаждение.

Центробежный компрессор непосредственно создает дополнительное давление во впускной системе. Конструкция его аналогична соответствующему механическому нагнетателю и включает корпус с компрессорным колесом. Движение воздуха в компрессоре осуществляется от центра колеса к периферии корпуса. Диффузор преобразует кинетическую энергию воздуха в давление за счет резкого снижения скорости потока. Сжатый воздух поступает через впускной коллектор в двигатель. Компрессорное колесо и корпус компрессора изготавливаются из алюминия.

Для снижения последствий турбозадержки, повышения производительности конструкция турбокомпрессора постоянно совершенствуется. Наиболее востребованными техническими решениями являются:

  1.  снижение массы турбины за счет применения более легких и прочных материалов (керамика и др.);
  2.  применение новых конструкций подшипников, обеспечивающих снижение потерь на трение;
  3.  раздельный турбокомпрессор (twin-scroll);
  4.  турбина с изменяемой геометрией (VNT-турбина).

Раздельный турбокомпрессоримеет два входа для отработавших газов и два сопла, рассчитанных на каждую пару цилиндров. Одно сопло предназначено для быстрого реагирования. Другое сопло обеспечивает максимальную производительность. Помимо высокой производительности конструкция турбокомпрессора с двойной улиткой разделяет выпускные каналы, предотвращая их перекрытие при выпуске отработавших газов.

Схема турбины с изменяемой геометрией (VNT-турбины)

Турбина с изменяемой геометрией(другое наименование – турбина с переменным соплом) широко используется в дизельных двигателях, например в двигателе TDI от Volkswagen. В турбокомпрессоре установлено девять подвижных лопастей для регулирования потока отработавших газов к турбине. Угол наклона лопастей регулируется приводом, который блокирует или увеличивает поток отработавших газов. Изменение положения лопастей позволяет согласовать скорость отработавших газов и давление нагнетаемого воздуха с оборотами двигателя.

В ряде конструкций турбонаддува используется несколько турбокомпрессоров: два (twin-turbo), три (triple-turbo) и даже четыре (quad-turbo). Турбокомпрессоры устанавливаются последовательно, при этом один работает при низких оборотах двигателя, другой – при высоких оборотах. На V-образных двигателях практикуется параллельная схема установки турбокомпрессоров (на каждый ряд по компрессору). Резон данной схемы – два небольших турбокомпрессора эффективнее одного большого.

Механический нагнетатель - основной конструктивный элемент системы механического наддува. С помощью нагнетателя в впускном тракте создается давление выше атмосферного, а механический он потому, что привод рабочего органа осуществляется непосредственного от коленчатого вала двигателя. За рубежом механический нагнетатель называют одним словом – supercharger.

Применение механического нагнетателя обеспечивает повышение мощности (до 50%) и крутящего момента (до 30%) двигателя. Вместе с тем, механический нагнетатель отличают значительные затраты мощности двигателя на привод, которые могут достигать 30%.

Механический нагнетатель выполняет следующие взаимосвязанные функции: втягивание воздуха, сжатие воздуха и нагнетание воздуха во впускную систему. Втягивание воздуха происходит посредством созданного разряжения. Для того чтобы создать давление, нагнетатель должен вращаться быстрее чем двигатель. Нагнетание воздуха в впускной тракт осуществляется за счет разницы давлений в системе.

Воздух имеет свойство нагреваться при сжатии, при этом снижается его плотность и соответственно давление. Поэтому в системах наддува сжатый воздух охлаждается с помощью специального воздушного или жидкостного охладителя – интеркулера.

Механический нагнетатель конструктивно может иметь один из следующих приводов:

  1.  прямой привод (непосредственное крепление нагнетателя на фланец коленчатого вала);
  2.  ременной привод (различный виды ремней – клиновой, зубчатый, плоский);
  3.  цепной привод;
  4.  зубчатая передача (цилиндрический редуктор);
  5.  электрический привод (электродвигатель).

На современных автомобилях применяются три основных типа механических нагнетателей:

  1.  кулачковый нагнетатель (нагнетатель Roots);
  2.  винтовой нагнетатель (нагнетатель Lysholm);
  3.  центробежный нагнетатель.

Кулачковый нагнетатель

Кулачковый нагнетатель является самым старым типом механического нагнетателя, т.к. используется на автомобилях с 1900 года. Имеет другое название по имени изобретателей – нагнетатель Roots, обиходное название воздуходувка.

Современный кулачковый нагнетатель имеет два трех- или четырехкулачковых ротора, которые вращаются навстречу друг другу. Кулачки расположены по спирали на всей длине ротора. Угол закрутки кулачков обеспечивает максимальную эффективность в плане нагнетания и потерь.

По конструкции и принципу действия кулачковый нагнетатель очень похож на шестеренный масляный насос. Воздух в нагнетателе захватывается кулачками, перемещается в пространстве между кулачками и стенками корпуса, нагнетается в впускной трубопровод. Имеет место т.н. внешнее нагнетание.

Нагнетатель Roots характеризует быстрое создание необходимого давления наддува, а также рост этого давления с увеличением частоты вращения коленчатого вала. Вместе с тем в определенный момент может образоваться избыток давления, и как следствие – заторы в нагнетательном канале, снижение мощности двигателя. Поэтому при использовании механических нагнетателей всех типов осуществляется регулирование давления наддува.

Регулирование давления наддува производится двумя способами:

  1.  отключением нагнетателя (например, с помощью электромагнитной муфты);
  2.  перепусканием воздуха при непрерывной работе нагнетателя (с помощью перепускного клапана).

Современные системы механического наддува имеют электронное регулирование наддува, включающее входные датчики (датчик давления наддува, датчик температуры во впускном коллекторе и др.), электронный блок управления, исполнительные механизмы(электромеханический модуль привода перепускного клапана, электромагнит муфты и др.).

Нагнетатели Roots имеют достаточно высокую стоимость, обусловленную малыми допусками в изготовлении. Они предъявляют повышенные требования к чистоте подаваемого воздуха, т.к. инородный предмет в впускной системе может привести к выходу из строя нагнетателя. Необходимо отметить большой вес нагнетателя и высокий уровень шума при его работе. Производители достаточно эффективно борются с шумом. В их арсенале специальная конструкция корпуса, демпфирующие пластины и маты, резонатор, демпферы и др.

Ведущим производителем нагнетателей Roots является фирма Eaton, которая в настоящее время предлагает высокоэффективные четырехкулачковые нагнетатели TVSTwin Vortices Series(дословно - спаренная серия вихрей). Данные нагнетатели устанавливаются на серийные двигатели автомобилей Cadillac,ToyotaAudi. На некоторых двигателях кулачковые нагнетатели используются совместно с турбонагнетателями, например двойной наддув двигателя TSI.

Винтовой нагнетатель

Винтовой нагнетатель (другое наименование по имени изобретателя – нагнетатель Lysholm) по конструкции похож на нагнетатель Roots. Нагнетатель включает два ротора-шнека специальной формы (один ротор c выступами, другой – с выемками). Роторы имеют коническую форму, при которой воздушные камеры между роторами уменьшаются в размере по длине.

Порция воздуха захватывается шнеками, перемещается и сжимается при вращении шнеков и нагнетается в впускной патрубок. В отличие от кулачковых нагнетателей винтовой нагнетатель обеспечивает внутреннее (т.е. между шнеков) нагнетание воздуха, которое более эффективно. Но цена винтовых нагнетателей значительно больше, поэтому и применяются они реже, в основном на дорогих спортивных автомобилях.

Центробежный нагнетатель

Центробежный нагнетатель в части нагнетания воздуха аналогичентурбокомпрессору. Основу нагнетателя составляет рабочее колесо (крыльчатка), которое вращается с высокой скоростью (порядка 50000-60000 об/мин).

Воздух засасывается в центральную часть колеса. Центробежная сила направляет воздух по лопастям специальной формы наружу. Из рабочего колеса он выходит на большой скорости и с низким давлением. При выходе воздух сталкивается с диффузором, имеющим множество стационарных лопаток вокруг рабочего колеса. Высокоскоростной поток воздуха низкого давления преобразуется в поток воздуха низкой скорости и высокого давления.

Центробежные нагнетатели наиболее распространены из всех механических нагнетателей. Они компактные, легкие, эффективные, имеют возможность разнообразного крепления на двигателе. В пассив центробежных нагнетателей следуют отнести зависимость производительности от скорости вращения коленчатого вала. Это качество центробежных нагнетателей предполагает использование привода с переменным передаточным отношением. Максимальное передаточное отношение привода требуется при низких оборотах двигателя, минимальное - при высоких оборотах.

Область применения механических нагнетателей достаточно широка:

  1.  спортивные автомобили;
  2.  тюнинг автомобилей;
  3.  серийные автомобили.

Практически все спортивные автомобили используют механические нагнетатели – это их основное применение. Установка механических нагнетателей является одним из направлений тюнинга автомобилей. Производители предлагают комплекты, включающие необходимые конструктивные элементы для установки на двигатель. На серийных автомобилях механические нагнетатели встречаются достаточно редко.

В силу своей конструкции нагнетатели Roots и Lysholm применяются для обеспечения высокой разгонной динамики, центробежные нагнетатели эффективны в поддержании высоких скоростей.

Дроссельная заслонка является конструктивным элементомвпускной системы бензиновых двигателей внутреннего сгорания с впрыском топлива и предназначена для регулирования количества воздуха, поступающего в двигатель для образования топливно-воздушной смеси. Дроссельная заслонка устанавливается между воздушным фильтром и впускным коллектором.

По своей сути дроссельная заслонка является воздушным клапаном. При открытой заслонке давление во впускной системе соответствует атмосферному давлению, при закрытии - уменьшается до состояния вакуума. Это свойство дроссельной заслонки используется в работевакуумного усилителя тормозов, для продувки адсорбера системы улавливания паров бензина.

Дроссельная заслонка может иметь следующие виды привода:

  1.  механический привод;
  2.  электрический привод с электронным управлением.

Дроссельная заслонка с механическим приводом

Механический привод дроссельной заслонки в настоящее время применяется на большинстве бюджетных машин. Привод предполагает связь педали газа и дроссельной заслонки с помощью металлического троса.

Схема дроссельной заслонки с механическим приводом

Элементы дроссельной заслонки объединены в отдельный блок, который включает корпус, дроссельную заслонку на валу,датчик положения дроссельной заслонки, регулятор холостого хода.

Корпус дроссельной заслонкивключен в систему охлаждения двигателя. В нем также выполнены патрубки, обеспечивающие работусистемы вентиляции картера и системы улавливания паров бензина.

Регулятор холостого хода поддерживает заданную частоту вращения коленчатого вала двигателя при закрытой дроссельной заслонке во время пуска, прогрева и при изменении нагрузки во время включения дополнительного оборудования. Он состоит из шагового электродвигателя и соединенного с ним клапана, которые изменяют количество воздуха, поступающего во впускную систему в обход дроссельной заслонки.

Дроссельная заслонка с электрическим приводом

На современных автомобилях механический привод дроссельной заслонки заменен на электрический привод с электронным управлением, что позволяет достичь оптимальной величины крутящего момента на всех режимах работы двигателя. При этом обеспечивается снижение расхода топлива, выполнение экологических требований, безопасность движения.

Отличительными особенностями дроссельной заслонки с электрическим приводом являются:

  1.  отсутствие механической связи между педалью газа и дроссельной заслонкой;
  2.  регулирование холостого хода путем перемещения дроссельной заслонки.

Так как между педалью газа и дроссельной заслонкой нет жесткой связи, используется электронная система управления дроссельной заслонкой. Электроника в управлении дроссельной заслонкой позволяет влиять на величину крутящего момента двигателя, даже если водитель не воздействует на педаль газа. Система включает входные датчики, блок управления двигателем и исполнительное устройство.

Помимо датчика положения дроссельной заслонки в системе управления используются:

  1.  датчик положения педали газа;
  2.  выключатель положения педали сцепления;
  3.  выключатель положения педали тормоза.

В работе системы управления дроссельной заслонкой также используются сигналы от автоматической коробки передач,тормозной системыклиматической установкикруиз-контроля.

Блок управления двигателем воспринимает сигналы от датчиков и преобразует их в управляющие воздействия на модуль дроссельной заслонки.

Схема дроссельной заслонки с электрическим приводом

Модуль дроссельной заслонкисостоит из корпуса, собственно дроссельной заслонки, электродвигателя, редуктора, возвратного пружинного механизма и датчиков положения дроссельной заслонки.

Для повышения надежности в модуле устанавливается два датчика положения дроссельной заслонки. В качестве датчиков используются потенциометры со скользящим контактом или бесконтактные магниторезистивные датчики. Графики изменения выходных сигналов датчиков направлены навстречу друг другу, что позволяет их различать блоку управления двигателем.

В конструкции модуля предусмотрено аварийное положение дроссельной заслонки при неисправности привода, которое осуществляется с помощью возвратного пружинного механизма. Неисправный модуль дроссельной заслонки заменяется в сборе.

Для облегчения запуска дизельных двигателей в холодное время (от +5 до –30°С) производится нагрев воздуха в цилиндрах с помощьюсвечей накаливания. По своей сути свечи накаливания являются одним из устройств предпускового подогрева.

Свеча накаливания имеет различные места установки в зависимости от конструкции дизельного двигателя :

  1.  в вихревой камере (двигатели с раздельной камерой сгорания);
  2.  в форкамере (двигатели с раздельной камерой сгорания);
  3.  в камере сгорания (двигатели с нераздельной камерой сгорания).

Конструктивно свеча накаливания представляет собой электрическое нагревательное устройство, состоящее из спирали накала, помещенной в защитную оболочку. Различают два вида свечей накаливания:

  1.  с металлической спиралью;
  2.  керамические.

Схема свечи накаливания

Свеча накаливания с металлической спиралью включает нагревательный наконечник из термостойкого сплава, в который помещены две последовательно соединенные спирали: нагревательная и регулировочная. Нагревательная спираль обеспечивает быстрый нагрев наконечника. Регулировочная спираль регулирует интенсивность накала нагревательной спирали за счет увеличения электрического сопротивления при повышении температуры. Таким способом обеспечивается саморегулирование величины накала свечи и защита ее от перегрева.

Пространство между нагревательной трубкой и спиралями заполняется изолирующим наполнителем, который выполняет две функции – защиты спирали от механических воздействий и эффективной передачи тепла. Свечи накаливания с металлической спиралью реализуют температуру накала до 1000°С и обеспечивают время прогрева 3-4 сек.

Керамическая свеча накаливания имеет аналогичную конструкцию, но в ней керамический нагревательный элемент, выполняющий функции спирали, помещен в керамическую оболочку. Керамические свечи накаливания имеют более высокую температуру накала (до 1350°С), меньшее время прогрева (2 сек) и соответственно лучшие характеристики холодного запуска.

Ведущими производителями свечей накаливания являются фирмыBoschNGKLucas.

Управление свечами накаливания производится с помощью релеили отдельного электронного блока управления. Данные устройства регулируют величину подаваемого на свечи напряжения и, тем самым, обеспечивают необходимый момент и температуру накала, а также продолжительность нагрева.

Работа реле свечей накаливания (блока управления) осуществляется на основании сигналов входных датчиков (датчика температуры охлаждающей жидкостидатчика частоты вращения коленчатого вала) системы управления дизельным двигателем.

Свечи накаливания включаются при определенных температурных условиях во время запуска двигателя (первое положение ключа в замке зажигания), о чем сигнализирует контрольная лампа на панели приборов. После того, как лампа погаснет, а прогрев закончится, производится запуск двигателя (второе положение ключа в замке зажигания).

На современных дизельных двигателях свечи накаливания помимо предварительного (предпускового) накала обеспечиваютдополнительный накал после запуска двигателя. Дополнительный накал производится для уменьшения шума при сгорании смеси на непрогретом двигателе, а также сокращения вредных выбросов в атмосферу. Фаза дополнительного накала имеет продолжительность порядка 3 минут и заканчивается при достижении охлаждающей жидкостью температуры 20-30°С.

Керамические свечи накаливания помимо дополнительного накала используются для регенерации сажевого фильтра.

Система зажигания предназначена для воспламенения топливно-воздушной смеси бензинового двигателя. Воспламенение смеси происходит от искры, поэтому другое наименование системы -искровая система зажигания, а бензинового двигателя - двигатель с искровым зажиганием (сокращенно - ДсИЗ).

В зависимости от способа управления процессом зажигания различают следующие типы систем зажигания:

  1.  контактная система зажигания;
  2.  бесконтактная (транзисторная) система зажигания;
  3.  электронная (микропроцессорная) система зажигания.

В контактной системе зажиганияуправление накоплением и распределение электрической энергии по цилиндрам осуществляется механическим устройством - прерывателем-распределителем. Дальнейшим развитием контактной системы зажигания является контактная транзисторная система зажигания, в первичной цепи катушки зажигания которой применен транзисторный коммутатор.

В отличие от контактной в бесконтактной системе зажигания для управления накоплением энергии используется транзисторный коммутатор, взаимодействующий с бесконтактным датчиком импульсов. Транзисторный коммутатор в данной системе выполняет роль прерывателя. Распределение тока высокого напряжения осуществляется механическим распределителем.

В микропроцессорной системе зажигания используетсяэлектронный блок управления, с помощью которого производится управление процессом накопления и распределения электрической энергии. В ранних конструкциях электронной системы зажигания электронный блок одновременно управлял системой зажигания исистемой впрыска топлива (т.н. объединенная система впрыска и зажигания). В настоящее время управление зажиганием включено всистему управления двигателем.

Не смотря на различия в конструкции можно выделить следующееобщее устройство системы зажигания:

  1.  источник питания (автомобильный генератор и аккумуляторная батарея);
  2.  выключатель зажигания;
  3.  устройство управления накоплением энергии (прерыватель, транзисторный коммутатор, электронный блок управления);
  4.  накопитель энергии (катушка зажигания);
  5.  устройство распределения энергии по цилиндрам (механический распределитель, электронный блок управления );
  6.  высоковольтные провода;
  7.  свечи зажигания.

Принцип работы системы зажигания заключается в накоплении и преобразовании катушкой зажигания низкого напряжения (12В) электрической сети автомобиля в высокое напряжение (до 30000В), распределении и передаче высокого напряжения к соответствующей свече зажигания и образовании в нужный момент искры на свече зажигания.

В работе системы зажигания можно выделить следующие этапы:

  1.  накопление электрической энергии;
  2.  преобразование энергии;
  3.  распределение энергии по свечам зажигания;
  4.  образование искры;
  5.  воспламенение топливно-воздушной смеси.

Контактная система зажигания является самым старым типомсистемы зажигания. В настоящее время данная система применяется на некоторых моделях отечественных автомобилей (т.н. «классике»).

Создание высокого напряжения и распределение его по цилиндрам в данной системе происходит с помощью контактов.

Контактная система зажигания имеет следующее устройство:

  1.  источник питания;
  2.  выключатель зажигания;
  3.  механический прерыватель тока низкого напряжения;
  4.  катушка зажигания;
  5.  механический распределитель тока высокого напряжения;
  6.  центробежный регулятор опережения зажигания;
  7.  вакуумный регулятор опережения зажигания;
  8.  высоковольтные провода;
  9.  свечи зажигания.

Схема контактной системы зажигания

Механический прерывательпредназначен для размыкания цепи низкого напряжения (цепи первичной обмотки катушки зажигания). При размыкании контактов во вторичной цепи катушки зажигания наводится высокое напряжение. Для защиты контактов от обгорания в цепь параллельно контактам включен конденсатор.

Катушка зажигания служит для преобразования тока низкого напряжения в ток высокого напряжения. Катушка имеет две обмотки – низкого и высокого напряжения.

Механический распределительобеспечивает распределение тока высокого напряжения по свечам цилиндров двигателя. Распределитель состоит из ротора (обиходное название «бегунок») и крышки. В крышке выполнены центральный и боковые контакты. На центральный контакт подается высокое напряжение от катушки зажигания. Через боковые контакты высокое напряжение передается на соответствующие свечи зажигания.

Прерыватель и распределитель конструктивно объединены в одном корпусе и приводятся в действие от коленчатого вала двигателя. Данное устройство имеет общее название прерыватель-распределитель (обиходное название – «трамблер»).

Центробежный регулятор опережения зажигания служит для изменения угла опережения зажигания в зависимости от числа оборотов коленчатого вала двигателя. Конструктивно центробежный регулятор состоит из двух грузиков. Грузики воздействуют на подвижную пластину, на которой расположены кулачки прерывателя.

Углом опережения зажигания называется угол поворота коленчатого вала двигателя, при котором происходит подача тока высокого напряжения на свечи зажигания. Для того, чтобы топливно-воздушная смесь полностью и эффективно сгорела зажигание производится с опережением, т.е. до достижения поршнем верхней мертвой точки.

Установка угла опережения зажигания производится регулировкой положения прерывателя-распределителя в двигателе.

Вакуумный регулятор опережения зажигания обеспечивает изменение угла опережения зажигания в зависимости от нагрузки на двигатель. Нагрузка на двигатель определяется степенью открытия дроссельной заслонки (положением педали газа). Вакуумный регулятор соединен с полостью за дроссельной заслонкой и, в зависимости от степени разряжения в полости, изменяет угол опережения зажигания.

Высоковольтные провода служат для подачи тока высокого напряжения от катушки зажигания к распределителю и от распределителя на свечи зажигания.

Свеча зажигания предназначена для воспламенения топливно-воздушной смеси путем образования искрового разряда.

Принцип работы контактной системы зажигания

При замкнутом контакте прерывателя ток низкого напряжения протекает по первичной обмотке катушки зажигания. При размыкании контактов во вторичной обмотке катушки зажигания индуцируется ток высокого напряжения. По высоковольтным проводам ток высокого напряжения подается на крышку распределителя, от которой распределяется по соответствующим свечам зажигания с определенным углом опережения зажигания.

При увеличении оборотов коленчатого вала двигателя, увеличиваются обороты вала прерывателя распределителя. Грузики центробежного регулятора опережения зажигания под действием центробежной силы расходятся, перемещая подвижную платину с кулачками прерывателя. Контакты прерывателя размыкаются раньше, тем самым увеличивается угол опережения зажигания. При уменьшении оборотов коленчатого вала двигателя угол опережения зажигания уменьшается.

Дальнейшим развитием контактной системы зажигания являетсяконтактно-транзисторная система зажигания. В цепи первичной обмотки катушки зажигания применен транзисторный коммутатор, управляемый контактами прерывателя. В данной системе за счет применения транзисторного коммутатора уменьшена сила тока в цепи первичной обмотки, тем самым увеличен срок службы контактов прерывателя.

Бесконтактная система зажигания является конструктивным продолжение контактно-транзисторной системы зажигания. В даннойсистеме зажигания контактный прерыватель заменен бесконтактным датчиком. Бесконтактная система зажигания стандартно устанавливается на ряде моделей отечественных автомобилей, а также может устанавливаться самостоятельно вместо контактной системы зажигания.

Применение бесконтактной системы зажигания позволяет повысить мощность двигателя, снизить расход топлива и выбросы вредных веществ за счет более высокого напряжения разряда (30000В) и соответственно более качественного сгорания топливно-воздушной смеси.

Бесконтактная система зажигания имеет следующее устройство:

  1.  источник питания;
  2.  выключатель зажигания;
  3.  датчик импульсов;
  4.  транзисторный коммутатор;
  5.  катушка зажигания;
  6.  распределитель;
  7.  центробежный регулятор опережения зажигания;
  8.  вакуумный регулятор опережения зажигания;
  9.  провода высокого напряжения;
  10.  свечи зажигания.

Схема бесконтактной системы зажигания

В целом устройство бесконтактной системы зажигания аналогичноконтактной системе зажигания, за исключением следующих устройств: датчика импульсов и транзисторного коммутатора.

Датчик импульсов предназначен для создания электрических импульсов низкого напряжения. Различают датчики импульсов следующих типов:

  1.  датчик Холла;
  2.  индуктивный датчик;
  3.  оптический датчик.

Наибольшее применение в бесконтактной системе зажигания нашел датчик импульсов использующий эффект Холла (возникновение поперечного напряжения в пластине проводника с током под действием магнитного поля). Датчик Холла состоит из постоянного магнита, полупроводниковой пластины с микросхемой и стального экрана с прорезями (обтюратора).

Прорезь в стальном экране пропускает магнитное поле и в полупроводниковой пластине возникает напряжение. Стальной экран не пропускает магнитное поле, и напряжение на полупроводниковой пластине не возникает. Чередование прорезей в стальном экране создает импульсы низкого напряжения.

Датчик импульсов конструктивно объединен с распределителем и образуют одно устройство – датчик-распределитель. Датчик-распределитель внешне подобен прерывателю-распределителю и имеет аналогичный привод от коленчатого вала двигателя.

Транзисторный коммутатор служит для прерывания тока в цепи первичной обмотки катушки зажигания в соответствии с сигналами датчика импульсов. Прерывание тока осуществляется за счет отпирания и запирания выходного транзистора.

Принцип работы бесконтактной системы зажигания

При вращении коленчатого вала двигателя датчик-распределитель формирует импульсы напряжения и передает их на транзисторный коммутатор. Коммутатор создает импульсы тока в цепи первичной обмотки катушки зажигания. В момент прерывания тока индуцируется ток высокого напряжения во вторичной обмотке катушки зажигания. Ток высокого напряжения подается на центральный контакт распределителя. В соответствии с порядком работы цилиндров двигателя ток высокого напряжения подается по проводам высокого напряжения на свечи зажигания. Свечи зажигания осуществляют воспламенение топливно-воздушной смеси.

При увеличении оборотов коленчатого вала регулирование угла опережения зажигания осуществляется центробежным регулятором опережения зажигания.

При изменении нагрузки на двигатель регулирование угла опережения зажигания производит вакуумный регулятор опережения зажигания.

Электронной системой зажигания называется система зажигания, в которой создание и распределение тока высокого напряжения по цилиндрам двигателя осуществляется с помощью электронных устройств. Система имеет другое название - микропроцессорная система зажигания.

Необходимо отметить, что контактно-транзисторная система зажигания и бесконтактная система зажигания также включают электронные компоненты, но данные системы уже имеют свои устоявшиеся названия.

С другой стороны электронная система зажигания не имеет механических контактов, поэтому, по сути, является бесконтактной системой зажигания.

На современных автомобилях электронная система зажигания является составной частьюсистемы управления двигателем. Данная система осуществляет управлениеобъединенной системой впрыска и зажигания, а на последних моделях автомобилей и рядом других систем – впускной и выпускной системами, системой охлаждения.

Существует множество конструкций электронных систем зажигания (Bosch Motronic, Simos, Magneti-Marelli и др.), отличающихся по конструкции. Электронные системы зажигания можно разделить на два вида:

  1.  системы зажигания с распределителем;
  2.  системы прямого зажигания.

Первый вид электронных систем зажигания в своей работе использует механический распределитель, с помощью которого осуществляется подача тока высокого напряжения на конкретную свечу. В системах прямого зажигания подача тока высокого напряжения на свечу производится непосредственно с катушки зажигания.

Вместе с тем, электронная система зажигания имеет следующее общее устройство:

  1.  источник питания;
  2.  выключатель зажигания;
  3.  входные датчики;
  4.  электронный блок управления;
  5.  воспламенитель;
  6.  катушка зажигания;
  7.  провода высокого напряжения (на некоторых видах системы);
  8.  свечи зажигания.

Входные датчики фиксируют текущие параметры работы двигателя и преобразуют их в электрические сигналы. Система электронного зажигания в своей работе использует входные датчики, входящие в состав системы управления двигателем:

  1.  датчик частоты вращения коленчатого вала двигателя;
  2.  датчик положения распределительного вала;
  3.  датчик массового расхода воздуха;
  4.  датчик детонации;
  5.  датчик температуры воздуха;
  6.  датчик температуры охлаждающей жидкости;
  7.  датчик давления воздуха;
  8.  датчик положения дроссельной заслонки;
  9.  датчик положения педали газа;
  10.  датчик давления топлива;
  11.  кислородный датчик;
  12.  и другие.

Номенклатура датчиков на разных моделях автомобилей может различаться.

Электронный блок управления двигателем обрабатывает сигналы входных датчиков и формирует управляющие воздействия на воспламенитель.

Воспламенитель представляет собой электронную плату, обеспечивающую включение и выключение зажигания. Основу воспламенителя составляет транзистор. При открытом транзисторе ток протекает по первичной обмотке катушки зажигания, при закрытом - происходит его отсечка и наводка тока высокого напряжения во вторичной обмотке.

Электронная система зажигания может иметь одну общую катушку зажигания, индивидуальные катушки зажигания или сдвоенные катушки зажигания.

Общая катушка зажигания применяется в электронной системе зажигания с распределителем. Индивидуальные катушки зажигания устанавливаются непосредственно на свечу, поэтому необходимость в высоковольтных проводах отпадает.

В системах прямого зажигания также используются сдвоенные катушки зажигания. На четырехцилиндровом двигателе устанавливается две таких катушки: одна для 1 и 4 цилиндров, другая – для 2 и 3 цилиндров. Каждая из катушек создает ток высокого напряжения на двух выводах, поэтому искра зажигания всегда происходит одновременно в двух цилиндрах. В одном из цилиндров она воспламеняет топливно-воздушную смесь, в другом происходит вхолостую.

Принцип работы электронной системы зажигания

В соответствии с сигналами датчиков электронный блок управления вычисляет оптимальные параметры работы системы. Осуществляется управляющее воздействие на воспламенитель, который обеспечивает подачу напряжения на катушку зажигания. В цепи первичной обмотки катушки зажигания начинает протекать ток.

При прерывании напряжения, во вторичной обмотке катушки индуцируется ток высокого напряжения. По высоковольтным проводам или непосредственно с катушки зажигания ток высокого напряжения подается к соответствующей свече зажигания. Создающаяся искра в свече зажигания воспламеняет топливно-воздушную смесь.

При изменении скорости вращения коленчатого вала двигателя датчик частоты вращения коленчатого вала двигателя и датчик положения распределительного вала подают сигналы в электронный блок управления, который в свою очередь осуществляет необходимое изменение угла опережения зажигания.

При увеличении нагрузки на двигатель управление углом опережения зажигания осуществляется с помощью датчика массового расхода воздуха. Дополнительную информацию о процессе воспламенения и сгорания топливно-воздушной смеси дает датчик детонации. Другие датчики представляют дополнительную информацию о режимах работы двигателя.

Катушка зажигания является сердцем системы зажигания, т.к. обеспечивает в ней создание высокого напряжения. Катушка зажигания применяется во всех системах зажигания: контактной, бесконтактной, электронной. По своей сути катушка зажигания это трансформатор с двумя обмотками.

Различают следующие типы катушек зажигания:

  1.  общая катушка зажигания;
  2.  индивидуальная катушка зажигания;
  3.  сдвоенная катушка зажигания.

Общая катушка зажигания применяется в контактной, бесконтактной системах зажигания и электронной системе зажигания с распределителем.

Схема катушки зажигания

Катушка зажигания имеет следующее устройство. Катушка объединяет две обмотки – первичную и вторичную. Первичная обмотка содержит от 100 до 150 витков толстой медной проволоки. Для предупреждения скачков напряжения и короткого замыкания проволока изолирована. Первичная обмотка имеет два низковольтных вывода на крышке катушки зажигания.

Вторичная обмотка имеет от 15000 до 30000 витков тонкой медной проволоки. Вторичная обмотка находится внутри первичной обмотки. Один конец вторичной обмотки соединен с отрицательной клеммой первичной обмотки, другой – с центральной клеммой на крышке, обеспечивающей вывод высокого напряжения.

Для повышения силы магнитного поля обмотки располагаются вокруг железного сердечника. Обмотки вместе с сердечником помещены в корпус с изолирующей крышкой. Для предотвращения токового нагрева катушка заполнена трансформаторным маслом.

Основными характеристиками катушки зажигания являются сопротивление обмоток, которое для каждой модели индивидуальное. Для примера, сопротивление первичной обмотки составляет порядка 3-3,5 Ом, вторичной обмотки – 5000-9000 Ом. Отклонение величины сопротивления обмотки от нормативного значения свидетельствует о неисправности катушки.

Работа катушки зажигания основана на возникновении во вторичной обмотке высокого напряжения при прохождении по первичной обмотке импульса тока низкого напряжения. При прохождении через первичную обмотку тока создается магнитное поле. При отсечке тока магнитное поле наводит во вторичной обмотке ток высокого напряжения, который выводится через центральную клемму катушки и с помощью распределителя подается к свечам зажигания.

Индивидуальная катушка зажигания применяется в электронной системе прямого зажигания. Как и общая катушка зажигания, она включает первичную и вторичную обмотки. Здесь, наоборот, первичная обмотка находится внутри вторичной. В первичной обмотке установлен внутренний сердечник, а вокруг вторичной – внешний сердечник.

В индивидуальной катушке зажигания могут располагаться электронные компоненты воспламенителя. Высокое напряжение, вырабатываемое во вторичной обмотке, подается напрямую на свечу зажигания с помощью наконечника, включающего стержень высокого напряжения, пружину и изолирующую оболочку. Для быстрого отсекания тока высокого напряжения во вторичной обмотке устанавливается диод высокого напряжения.

Сдвоенная катушка зажигания (другое наименование –двухвыводная катушка зажигания) применяется во многих конструкциях электронной системы прямого зажигания. Сдвоенная катушка имеет два высоковольтных вывода, которые обеспечивают синхронное получение искры двумя цилиндрами одновременно. При этом только один цилиндр находится в конце такта сжатия. В другом цилиндре искра происходит вхолостую на такте выпуска отработавших газов.

Двухвыводная катушка зажигания имеет различное соединение со свечами зажигания:

  1.  с помощью проводов высокого напряжения;
  2.  одна свеча – напрямую через наконечник, другая – с помощью провода высокого напряжения.

Конструктивно две двухвыводные катушки могут объединяться в единый блок, который носит собственное название –четырехвыводная катушка зажигания

Свеча зажигания важный конструктивный элемент системы зажигания. Она предназначена для непосредственного воспламенения топливно-воздушной смеси в бензиновом двигателе внутреннего сгорания. Воспламенение смеси происходит при прохождении искры между электродами свечи, поэтому другое ее название – искровая свеча зажигания. Свеча зажигания используется во всех типах системы зажигания: контактной, бесконтактной и электронной. Ведущими производителями свечей зажигания являются фирмы DensoNGKBoschChampion.

Устройство свечи зажигания

Свеча зажигания имеет следующее общее устройство:

  1.  контактный стержень;
  2.  центральный электрод;
  3.  изолятор;
  4.  корпус.

Контактный стержень обеспечивает соединение свечи зажигания с элементами системы зажигания – высоковольтным проводом или индивидуальной катушкой зажигания. Соединение может быть двух типов: фланцевое типа SAE или резьбовое М4. Наибольшее распространение получило соединение типа SAE.

Центральный электрод выполняет в свече зажигания, как правило, роль катода. Он изготавливается из легированной стали. Самый распространенный материал – хром–никелевый сплав. Диаметр центрального электрода определяется материалом, из которого он изготовлен, и может находится в пределе 0,4-2,5 мм.

В настоящее время центральный электрод изготавливается из двух металлов (биметаллический электрод) – медного сердечника и стальной оболочки. Стальная оболочка центрального электрода быстро нагревается, обеспечивая при этом быстрый и надежный пуск двигателя и устойчивую работу на начальном этапе. Медный сердечник интенсивно отводит тепло во время работы.

Для увеличения срока службы свечи (повышения устойчивости к коррозии, электрохимическому разрушению) центральный электрод на современных свечах зажигания изготавливается из сплавов стали с редкоземельными и благородными металлами (платина, иридий, вольфрам, иттрий, палладий). В зависимости от наличия тех или иных металлов в центральном электроде свечи имеют названия -платиновая свеча зажиганияиридиевая свеча зажигания.

Применение прочных и тугоплавких сплавов в конструкции центрального электрода позволило значительно сократить толщину наконечника центрального электрода. Например, иридиевый наконечник имеет толщину 0,4 мм, чем достигается значительное снижение напряжения искрообразования, повышение надежности воспламенения топливно-воздушной смеси.

Центральный электрод соединяется с контактным стержнем черезрезистор. Применение резистора обусловлено необходимостью защиты электронное оборудование двигателя от помех, возникающих при искрообразовании. Резистор представляет собой токопроводящую стекломассу, которой заливается промежуток между электродом и стержнем.

Контактный стержень и центральный электрод расположены визоляторе, выполняющем функции электрической изоляции и обеспечения заданного температурного режима свечи зажигания. Изолятор изготовляется из тугоплавкой керамики. Различают наружную и внутреннюю (размещенную в камере сгорания) части изолятора. Для улучшения электрической изоляции и предотвращения утечки электроэнергии наружная часть изолятора выполняется ребристой. На наружной части изолятора наносится название фирмы-производителя и (или) логотип.

Внутренняя часть изолятора (другое название - тепловой конус) определяет температурный (тепловой) режим свечи зажигания. Тепловой режим свечи зажигания характеризуется нижней и верхней границами. Нижняя граница начинается с температуры, при которой на тепловом конусе начинают сгорать скопившиеся частицы сажи, и называется температурой самоочищения. Величина температуры самоочищения составляет 450°С. Верхняя граница составляет 850°С. При данной температуре тепловой конус изолятора так сильно нагревается, что сам выступает источником воспламенения топливно-воздушной смеси. Такое неконтролируемое воспламенение смеси носит названиекалильное зажигание и может привести к детонации и серьезным поломкам двигателя.

Изменяя величину теплового конуса изолятора, производители свечей зажигания добиваются поддержания определенного температурного режима для разных бензиновых двигателей. Сильно выступающий тепловой конус и незначительная поверхность соприкосновения с корпусом характерны для т.н. «горячих» свечей зажигания. Такие свечи быстро нагреваются (большой конус) и медленно отводят тепло (малая поверхность соприкосновения с корпусом), поэтому их применение ограничено двигателями с низкой степенью сжатия и работающих на низкооктановом топливе.

«Холодные» свечи зажигания имеют короткий тепловой конус и значительную поверхность соприкосновения изолятора с корпусом. Они медленно нагреваются (малый конус) и быстро отводят тепло (большая поверхность соприкосновения с корпусом), поэтому применяются на двигателях с высокой степенью сжатия и работающих на высокооктановых топливах.

Металлический корпус служит для размещения всех элементов свечи зажигания, а также ввинчивание и удержания ее в головке блока цилиндров. Корпус изготавливается из никелевого сплава. Внутренней частью корпус соприкасается с изолятором. С наружи корпуса выполнена холоднокатаная метрическая резьба, с помощью которой свеча закрепляется в головке блока цилиндров. Уплотнение при завинчивании производится с помощью несъемной шайбы или конусного седла. Может применяться полая или гофрированная несъемная шайба. При завинчивании происходит раздавливание шайбы, чем достигается необходимое уплотнение.

Для завинчивания свечи зажигания в наружной части корпуса выполнен шестигранник под размер ключа. Затяжка свечи зажигания производиться с определенным усилием, рекомендованным производителем. Превышение усилия может привести к разрушению изолятора. Затяжка с недостаточным усилием приводит к нарушению герметичности камеры сгорания.

В нижней части корпуса приварен боковой электрод, который также изготавливается из никелевого сплава. В некоторых конструкциях свечей зажигания боковой электрод изготавливается из сплавов редкоземельных металлов. Для повышения срока службы свечи разработан ряд интересных конструктивных решений бокового электрода:

  1.  использование нескольких электродов (от двух до четырех);
  2.  V-образный вырез на конце бокового электрода;
  3.  коническая форма бокового электрода;
  4.  использование в качестве бокового электрода торцевой поверхности корпуса.

Применение нескольких боковых электродов значительно увеличивает срок службы свечи зажигания. В работе такой свечи используется только один боковой электрод. Когда зазор между электродами вследствие электрохимического износа увеличивается, искра автоматически переходит на другой боковой электрод и т. д.

Между центральным и боковым электродами поддерживается определенное расстояние - зазор (искровой промежуток). Величина зазора должна быть оптимальна для конкретной свечи зажигания и соответственно конкретного двигателя. На размер искрового промежутка оказывают влияние ряд факторов: размер и форма центрального электрода, конструкция бокового электрода, плотность топливно-воздушной смеси.

Чем больше зазор, тем больше искра, лучше воспламенение топливно-воздушной смеси. Вместе с тем, при большом зазоре требуется большее пробивное напряжение, и соответственно велика вероятность пропусков зажигания, снижения топливной экономичности, увеличения вредных выбросов. При малом зазоренаблюдается малая искра и соответственно низкая эффективность воспламенения топливно-воздушной смеси. При необходимости величину зазора можно изменить самостоятельно путем подгибания центрального электрода, но без соответствующей подготовки лучше этого не делать.

Характеристики свечи зажигания

Технические характеристики определяют область применения конкретной свечи зажигания на конкретном двигателе. К техническим характеристикам свечи зажигания относятся:

  1.  диаметр резьбы;
  2.  размер головки ключа;
  3.  длина резьбы;
  4.  зазор между электродами;
  5.  калильное число.

Диаметр автомобильных свечей зажигания составляет, как правило, 14 мм. По длине резьбы свечи делятся: короткая – 12 мм, средняя – 19-20 мм, длинная – 25 и более мм. Чем мощнее двигатель, тем длина резьбы должна быть больше. Наиболее распространенный размер головки под ключ – 16 мм, реже – 18, 21 мм. Величина зазора между электродами у разных свечей зажигания находится в пределе 0,5-2,0 мм.

Тепловая характеристика свечи зажигания выражается калильным числом. Калильное число – это отвлеченная величина, при достижении которой появляется калильное зажигание. Шкала калильных чисел у разных производителей существенным образом различается. У некоторых производителей шкала калильных чисел увеличивается от «горячих» свеч к «холодным», например у Denso 9-35, NGK 2-11,5. У Bosch все наоборот – увеличение от «холодных» к «горячим» (2-10). Свечи зажигания Champion шкалы как таковой не имеют.

Характеристики свечи зажигания отражаются в типовом обозначении - буквенно-цифровом коде, который может наноситься на свечу и обязательно отражается на упаковке. Типовые обозначения свечей различаются в зависимости от производителя, унифицированных обозначений нет. Для использования свечей зажигания разных производителей, существуют таблицы соответствия (взаимозаменяемости).

В зависимости от конструкции ресурс современных свечей зажигания составляет 30000-100000 км.

Система смазки (другое наименование смазочная система) предназначена для снижения трения между сопряженными деталями двигателя. Кроме выполнения основной функции система смазки обеспечивает:

  1.  охлаждение деталей двигателя;
  2.  удаление продуктов нагара и износа;
  3.  защиту деталей двигателя от коррозии.

Система смазки двигателя имеет следующее устройство:

  1.  поддон картера двигателя с маслозаборником;
  2.  масляный насос;
  3.  масляный фильтр;
  4.  масляный радиатор;
  5.  датчик давления масла;
  6.  редукционный клапан;
  7.  масляная магистраль и каналы.

Схема системы смазки

Поддон картера двигателя предназначен для хранения масла. Уровень масла в поддоне контролируется с помощью щупа, а также с помощью датчика уровня и температуры масла.

Масляный насос предназначен для закачивания масла в систему. Масляный насос может приводиться в действие от коленчатого вала двигателяраспределительного валаили дополнительного приводного вала. Наибольшее применение на двигателях нашли масляные насосы шестеренного типа.

Масляный фильтр служит для очистки масла от продуктов износа и нагара. Очистка масла происходит с помощью фильтрующего элемента, который заменяется вместе с заменой масла.

Для охлаждения моторного масла используется масляный радиатор. Охлаждение масла в радиаторе осуществляется потоком жидкости из системы охлаждения.

Давление масла в системе контролируется специальнымдатчиком, установленным в масляной магистрали. Электрический сигнал от датчика поступает к контрольной лампе на приборной панели. На автомобилях также может устанавливаться указатель давления масла.

Датчик давления масла может быть включен в систему управления двигателем, которая при опасном снижении давления масла отключает двигатель.

На современных двигателях устанавливается датчик контроля уровня масла и соответствующая ему сигнальная лампа на панели приборов. Наряду с этим, может устанавливаться датчик температуры масла.

Для поддержания постоянного рабочего давления в системе устанавливается один или несколько редукционных (перепускных) клапанов. Клапаны устанавливаются непосредственно в элементах системы: масляном насосе, масляном фильтре.

Принцип действия системы смазки

В современных двигателях применяется комбинированная система смазки, в которой часть деталей смазывается под давлением, а другая часть – разбрызгиванием или самотеком.

Смазка двигателя осуществляется циклически. При работе двигателя масляный насос закачивает масло в систему. Под давлением масло подается в масляный фильтр, где очищается от механических примесей. Затем по каналам масло поступает к коренным и шатунным шейкам (подшипникам) коленчатого вала, опорам распределительного вала, верхней опоре шатуна для смазки поршневого пальца.

На рабочую поверхность цилиндра масло подается через отверстия в нижней опоре шатуна или с помощью специальных форсунок.

Остальные части двигателя смазываются разбрызгиванием. Масло, которое вытекает через зазоры в соединениях, разбрызгивается движущимися частями кривошипно-шатунного и газораспределительного механизмов. При этом образуется масляный туман, который оседает на другие детали двигателя и смазывает их.

Под действием сил тяжести масло стекает в поддон и цикл смазки повторяется.

На некоторых спортивных автомобилях применяется система смазки с сухим картером. В данной конструкции масло храниться в специальном масляном баке, куда закачивается из картера двигателя насосом. Картер двигателя всегда остается без масла – «сухой картер». Применение данной конструкции обеспечивает стабильную работу системы смазки во всех режимах, независимо от положения маслозаборника и уровня масла в картере.

Система смазки с сухим картером (обиходное название – сухой картер) предназначена для обеспечения стабильной работысистемы смазки во всех положениях транспортного средства, в т.ч. при резких маневрах на большой скорости, больших наклонах автомобилях.

Благодаря этим качествам система смазки с сухим картером применяется на спортивных автомобилях, тракторах и некоторых автомобилях повышенной проходимости. Система предполагает хранение масла в отдельном баке и его закачку в этот бак отдельным насосом (секцией насоса). При этом масляный картер всегда остается без масла – т.н. сухой картер.

Преимуществами системы смазки с сухим картером являются:

  1.  отсутствие масляного голодания;
  2.  уменьшение размеров и снижение центра тяжести двигателя ввиду меньших размеров картера;
  3.  лучшее охлаждение масла;
  4.  некоторое увеличение мощности двигателя за счет снижения сопротивления масла коленчатому валу.

Вместе с тем, сухой картер усложняет конструкцию системы, увеличивает вес автомобиля, повышает расходы на обслуживание, и в итоге повышает стоимость автомобиля.

Система смазки с сухим катером, устанавливаемая на спортивные автомобили, имеет следующее общее устройство:

  1.  всасывающий модуль в поддоне;
  2.  масляный насос;
  3.  масляный термостат;
  4.  дополнительный масляный радиатор;
  5.  масляный бак;
  6.  датчик температуры и давления масла;
  7.  масляный радиатор;
  8.  масляный фильтр;
  9.  магистрали и трубопроводы.

Всасывающий модуль в поддоне обеспечивает прием стекающего масла из двигателя.

Масляный насос системы смазки с сухим картером выполняет следующие функции:

  1.  откачка масла из картера в масляный бак;
  2.  откачка масла из турбонагнетателя в масляный бак;
  3.  нагнетание масла из масляного бака в систему смазки.

Масляный насос выполнен в виде секций, при этом каждой функции соответствует как минимум одна секция насоса. Насос имеет привод от коленчатого вала двигателя.

Для лучшего охлаждения масла в системе смазки с сухим картером вместе с жидкостным масляным радиатором может устанавливатьсядополнительный воздушный масляный радиатор. Его работа регулируется с помощью масляного термостата, который на холодном двигателе направляет масло непосредственно в бак, а на прогретом до определенной температуры – через дополнительный радиатор.

Масляный бак помимо хранения масла обеспечивает гашение колебаний и уменьшение пенообразования. Для этого в баке имеется успокоитель. В масляный бак также встроена система вентиляции картера, размещены масляный щуп и датчик температуры и давления масла.

Помимо системы смазки с сухим картером на современных автомобилях применяются и другие технические решения, препятствующие масляному голоданию двигателя:

  1.  углубленный масляный поддон;
  2.  система дополнительных заслонок в масляном поддоне.

Углубленный масляный поддон обеспечивает надежный забор масла насосом при всех возможных наклонах автомобиля и используется на внедорожниках.

Система дополнительных заслонок представляет собой ряд заслонок, расположенных в картерном поддоне параллельно продольной оси автомобиля. Две заслонки с одной стороны, две – с другой. В нормальном положении заслонка закрыта (опущена вниз) и имеет возможность поворота вовнутрь поддона.

При движении автомобиля в повороте, масло стремиться к внешней стороне поддона. Две заслонки, обращенные к внешней стороне, закрыты и препятствуют движению масла. Две другие заслонки открываются, обеспечивая подачу дополнительной порции масла в зону всасывания. Таким образом, в зоне всасывания всегда находится необходимое количество масла.

Масляный насос предназначен для создания давления в системе смазки, и тем самым обеспечить смазку движущихся частейдвигателя внутреннего сгорания. В системе смазки с сухим картером масляный насос дополнительно выполняет функцию перекачки масла из картера двигателя в масляный бак.

Масляный насос приводится в действие от коленчатого вала или распределительного вала с помощью приводного вала.

По характеру управления масляные насосы разделяются на нерегулируемые и регулируемые. Нерегулируемые насосы поддерживают постоянное давление в системе смазки с помощью редукционного клапана. В регулируемых насосах постоянное давление поддерживается путем изменения производительности насоса.

В зависимости от конструкции различают масляные насосы:

  1.  шестеренного типа;
  2.  роторного типа.

Устройство масляного насоса шестеренного типа

Масляный насос шестеренного типа представляет собой две шестерни – ведущую и ведомую, размещенные в корпусе. Масло в насос поступает через всасывающий канал, захватывается шестернями и нагнетается в систему через нагнетательный канал. Производительность шестеренного насоса пропорциональна частоте вращения коленчатого вала. При превышении давления нагнетаемого масла определенной величины срабатывает редукционный клапан и перепускает часть масла во всасывающую полость или непосредственно в картер двигателя.

Различают два вида конструкций шестеренных насосов:

  1.  шестеренный насос с наружным зацеплением (шестерня около шестерни);
  2.  шестеренный насос с внутренним зацеплением (шестерня в шестерне).

При равной производительности шестеренный насос с внутренним зацеплением имеет меньшие габаритные размеры. Масляные насосы шестеренного типа являются нерегулируемыми.

Устройство масляного насоса роторного типа

Масляный насос роторного типаобъединяет два ротора – внутренний (ведущий) и внешний (ведомый), которые помещены в корпус. Масло всасывается в насос, захватывается лопастями роторов и нагнетается в систему. Также как в шестерном насосе, при необходимости срабатывает редукционный клапан. Указанную конструкцию имеет нерегулируемый роторный насос.

Устройство регулируемого масляного насоса роторного типа

Более совершенной конструкцией является регулируемый масляный насос роторного типа, который обеспечивает постоянное давление во всем диапазоне частоты вращения коленчатого вала.

Для реализации функции регулирования давления в конструкцию роторного насоса добавлен подвижный статор с регулировочной пружиной. Регулирование производится путем изменения объема полости между ведущим и ведомым роторами за счет поворота статора.

Применение регулируемого масляного насоса позволяет снизить:

  1.  величину отбираемой мощности от двигателя (в среднем на 30%);
  2.  износ масла благодаряменьшей оборачиваемости;
  3.  вспенивание масла.

Принцип работы регулируемого роторного насоса

При увеличении частоты вращения коленчатого вала двигателя увеличивается потребность в масле и соответственно происходит падение давления в системе. С падением давления регулировочная пружина сдвигает статор, который в свою очередь изменяет положение ведомого ротора. Соответственно увеличивается объем всасывающей полости и повышается производительность насоса.

При уменьшении частоты вращения коленчатого вала двигателя, уменьшается расход масла и повышается давление в системе. За счет повышения давления сжимается регулировочная пружина, которая перемещает статор и изменяет положение ведомого ротора. Это приводит к уменьшению объема всасывающей полости и снижению производительности насоса.

Система охлаждения предназначена для охлаждения деталей двигателя, нагреваемых в результате его работы. На современных автомобилях система охлаждения, помимо основной функции, выполняет ряд других функций, в том числе:

  1.  нагрев воздуха в системе отопления, вентиляции и кондиционирования;
  2.  охлаждение масла в системе смазки;
  3.  охлаждение отработавших газов в системе рециркуляции отработавших газов;
  4.  охлаждение воздуха в системе турбонаддува;
  5.  охлаждение рабочей жидкости в автоматической коробке передач.

В зависимости от способа охлаждения различают следующие виды систем охлаждения:

  1.  жидкостная (закрытого типа);
  2.  воздушная (открытого типа);
  3.  комбинированная.

В системе жидкостного охлаждения тепло от нагретых частей двигателя отводится потоком жидкости. Воздушная система для охлаждения использует поток воздуха. Комбинированная системаобъединяет жидкостную и воздушную системы.

На автомобилях наибольшее распространение получили система жидкостного охлаждения. Данная система обеспечивает равномерное и эффективное охлаждение, а также имеет меньший уровень шума. Поэтому, устройство и принцип действия системы охлаждения рассмотрены на примере системы жидкостного охлаждения.

Конструкция системы охлаждения бензинового и дизельного двигателей подобны. Система охлаждения двигателя имеет следующее общее устройство:

  1.  радиатор системы охлаждения;
  2.  масляный радиатор;
  3.  теплообменник отопителя;
  4.  расширительный бачок;
  5.  центробежный насос;
  6.  термостат;
  7.  вентилятор радиатора;
  8.  элементы управления;
  9.  «рубашка охлаждения» двигателя;
  10.  патрубки.

Схема системы охлаждения

Радиатор предназначен для охлаждения нагретой охлаждающей жидкости потоком воздуха. Для увеличения теплоотдачи радиатор имеет специальное трубчатое устройство.

Наряду с основным радиатором в системе охлаждения могут устанавливаться масляный радиатор и радиатор системы рециркуляции отработавших газов. Масляный радиатор служит для охлаждения масла в системе смазки.

Радиатор системы рециркуляции отработавших газовохлаждает отработавшие газы, чем достигается снижение температуры сгорания топливно-воздушной смеси и образования оксидов азота. Работу радиатора отработавших газов обеспечивает дополнительный насос циркуляции охлаждающей жидкости, включенный в систему охлаждения.

Теплообменник отопителя выполняет функцию, противоположную радиатору системы охлаждения. Теплообменник нагревает, проходящий через него, воздух. Для эффективной работы теплообменник отопителя устанавливается непосредственно у выхода нагретой охлаждающей жидкости из двигателя.

Для компенсации изменения объема охлаждающей жидкости вследствие температуры в системе устанавливаетсярасширительный бачок. Заполнение системы охлаждающей жидкостью обычно осуществляется через расширительный бачок.

Циркуляция охлаждающей жидкости в системе обеспечиваетсяцентробежным насосом. В обиходе центробежный насос называютпомпойЦентробежный насос может иметь различный привод: шестеренный, ременной и др. На некоторых двигателях, оборудованных турбонаддувом, для охлаждения наддувочного воздуха и турбокомпрессора устанавливается дополнительныйнасос циркуляции охлаждающей жидкости, подключаемый блоком управления двигателем.

Термостат предназначен для регулировки количества охлаждающей жидкости, проходящей через радиатор, чем обеспечивается оптимальный температурный режим в системе. Термостат устанавливается в патрубке между радиатором и «рубашкой охлаждения» двигателя.

На мощных двигателях устанавливается термостат с электрическим подогревом, который обеспечивает двухступенчатое регулирование температуры охлаждающей жидкости. Для этого в конструкции термостата предусмотрено три рабочих положения: закрытое, частично открытое и полностью открытое. При полной нагрузке на двигатель с помощью электрического подогрева термостата производится его полное открытие. При этом температура охлаждающей жидкости снижается до 90°С, уменьшается склонность двигателя к детонации. В остальных случаях температура охлаждающей жидкости поддерживается в пределах 105°С.

Вентилятор радиатора служит повышения интенсивности охлаждения жидкости в радиаторе. Вентилятор может иметь различный привод:

  1.  механический (постоянное соединение с коленчатым валом двигателя);
  2.  электрический (управляемый электродвигатель);
  3.  гидравлический (гидромуфта).

Наибольшее распространение получил электрический привод вентилятора, обеспечивающий широкие возможности для регулирования.

Типовыми элементами управления системы охлаждения являются датчик температуры охлаждающей жидкости, электронный блок управления и различные исполнительные устройства.

Датчик температуры охлаждающей жидкости фиксирует значение контролируемого параметра и преобразует его в электрический сигнал. Для расширения функций системы охлаждения (охлаждения отработавших газов в системе рециркуляции отработавших газов, регулирования работы вентилятора и др.) на выходе радиатора устанавливается дополнительный датчик температуры охлаждающей жидкости.

Сигналы от датчика принимает электронный блок управления и преобразует их в управляющие воздействия на исполнительные устройства. Используется, как правило, блок управления двигателем с устанавленным соответствующим программным обеспечением.

В работе системы охлаждения могут использоваться следующие исполнительные устройства:

  1.  нагреватель термостата;
  2.  реле дополнительного насоса охлаждающей жидкости;
  3.  блок управления вентилятором радиатора;
  4.  реле охлаждения двигателя после остановки.

Принцип работы системы охлаждения

Работу системы охлаждения обеспечивает система управления двигателем. В современных двигателях алгоритм работы реализован на основе математической модели, которая учитывает различные параметры (температуру охлаждающей жидкости, температуру масла, наружную температуру и др.) и задает оптимальные условия включения и время работы конструктивных элементов.

Охлаждающая жидкость в системе имеет принудительную циркуляцию, которую обеспечивает центробежный насос. Движение жидкости осуществляется через «рубашку охлаждения» двигателя. При этом происходит охлаждение двигателя и нагрев охлаждающей жидкости. Направление движения жидкости в "рубашке охлаждения" может быть продольным (от первого цилиндра к последнему) или поперечным (от выпускного коллектора к впускному).

В зависимости от температуры жидкость циркулирует по малому или большому кругу. При запуске двигателя сам двигатель и охлаждающая жидкость в нем холодные. Для ускорения прогрева двигателя охлаждающая жидкость движется по малому кругу, минуя радиатор. Термостат при этом закрыт.

По мере нагрева охлаждающей жидкости термостат открывается, и охлаждающая жидкость движется по большому кругу – через радиатор. Нагретая жидкость проходит через радиатор, где охлаждается встречным потоком воздуха. При необходимости жидкость охлаждается потоком воздуха от вентилятора.

После охлаждения жидкость снова поступает в «рубашку охлаждения» двигателя. В ходе работы двигателя цикл движения охлаждающей жидкости многократно повторяется.

Нна автомобилях c турбонаддувом может применятьсядвухконтурная система охлаждения, в которой один контур отвечает за охлаждение двигателя, другой - за охлаждение наддувочного воздуха.

На некоторых моделях бензиновых двигателей с турбонаддувом применяется двухконтурная система охлаждения. Один контур обеспечивает охлаждение двигателя, другой - охлаждение наддувочного воздуха. Контуры охлаждения независимы друг от друга, но имеют соединение и используют общий расширительный бачок. Независимость контуров позволяет поддерживать различную температуру охлаждающей жидкости в каждом из них, разница температуры может достигать 100°С. Смешиваться потокам охлаждающей жидкости не дают два обратных клапана и дроссель.

Первый контур - система охлаждения двигателя

Стандартная система охлаждения поддерживает температурный режим двигателя в пределе 105°С. В отличие от стандартной, в двухконтурной системе охлаждения обеспечивается температура в головке блока цилиндров в пределе 87°С, в блоке цилиндров – 105°С. Это достигнуто за счет применения двух термостатов. По своей сути это двухконтурная система охлаждения.

Схема системы охлаждения двигателя

Так как в контуре головки блока цилиндров должна поддерживаться более низкая температура, то в нем циркулирует больший объем охлаждающей жидкости (порядка 2/3 от общего объема). Остальная охлаждающая жидкость циркулирует в контуре блока цилиндров.

Для обеспечения равномерного охлаждения головки блока цилиндров циркуляция охлаждающей жидкости в ней производится по направлению от выпускного коллектора к впускному. Такая схема работы называется поперечным охлаждением.

Высокая интенсивность охлаждения головки блока цилиндров сопровождается высоким давлением охлаждающей жидкости. Это давление вынужден преодолевать термостат при открытии. Для облегчения работы в конструкции системы охлаждения один из термостатов выполнен с двухступенчатым регулированием. Тарелка такого термостата состоит из двух взаимосвязанных частей: малой и большой тарелки. Вначале открывается малая тарелка, которая затем поднимает большую тарелку.

Управление работой системы охлаждения осуществляет система управления двигателем.

При запуске двигателя оба термостата закрыты. Обеспечивается быстрый прогрев двигателя. Охлаждающая жидкость циркулируетпо малому кругу контура головки блока цилиндров: от насоса через головку блока цилиндров, теплообменник отопителя, масляный радиатор и далее в расширительный бачек. Данный цикл осуществляется до достижения охлаждающей жидкостью температуры 87°С.

При температуре 87°С открывается термостат контура головки блока цилиндров и охлаждающая жидкость начинает циркулироватьпо большому кругу: от насоса через головку блока цилиндров, теплообменник отопителя, масляный радиатор, открытый термостат, радиатор и далее через расширительный бачек. Данный цикл осуществляется до достижения охлаждающей жидкостью в блоке цилиндров температуры 105°С.

При температуре 105°С открывается термостат контура блока цилиндров и в нем начинает циркулировать жидкость. При этом в контуре головки блока цилиндров всегда поддерживается температура на уровне 87°С.

Второй контур - система охлаждения наддувочного воздуха

Система охлаждения наддувочного воздуха представлена охладителем, радиатором, насосом, которые соединены трубопроводами. В систему охлаждения также включен корпус подшипников турбокомпрессора.

Схема системы охлаждения наддувочного воздуха

Циркуляция охлаждающей жидкости в контуре осуществляется с помощью отдельного насоса, который включается при необходимости по сигналу блока управления двигателем. Жидкость, проходя через охладитель, забирает тепло наддувочного воздуха и далее охлаждается в радиаторе

Вентилятор радиатора служит для улучшения охлаждения охлаждающей жидкости, за счет увеличения скорости и количества воздуха, проходящего через радиатор. Вентилятор устанавливается, как правило, между радиатором и двигателем в специальном кожухе.

Конструктивно вентилятор радиатора объединяет четыре и более лопасти, расположенные на общем шкиве. Для увеличения подачи воздуха лопасти устанавливаются под углом к плоскости вращения.

Вентилятор радиатора может иметь различные виды привода:

  1.  механический;
  2.  гидромеханический;
  3.  электрический.

Механический привод вентиляторапредставляет собой постоянный привод от коленчатого валапосредством ременной передачи. Недостатком данного привода являются существенные затраты мощности двигателя на вращение вентилятора. Поэтому в настоящее время механический привод вентилятора почти не применяется.

Гидромеханический привод вентилятора может быть представлен вязкостной муфтой или гидравлической муфтой.Вязкостная муфта имеет постоянный привод от коленчатого вала. Блокировка муфты от частичной до полной производится с увеличением температуры силиконовой жидкости, заполняющей муфту. Увеличение температуры является следствием повышения частоты вращения коленчатого вала и нагрузки на двигатель. Блокировка муфты приводит к вращению вентилятора.Гидравлическая муфта в отличие от вязкостной муфты блокируется за счет изменения количества масла в муфте.

Самым распространенным является электрический привод вентилятора радиатора. Привод включает электродвигатель и систему управления. Электродвигатель запитан от бортовой сети автомобиля. Система управления обеспечивает работу вентилятора в зависимости от температуры двигателя.

На некоторых автомобилях реализована функция управляемого выбега вентилятора – автоматическое включение вентилятора после остановки двигателя. Выбег вентилятора производится с целью лучшего охлаждения двигателя в зависимости от режима его работы перед остановкой.

Типовая схема управления вентилятором с электрическим приводом включает:

  1.  датчик температуры охлаждающей жидкости;
  2.  электронный блок управления двигателем;
  3.  реле включения вентилятора;
  4.  электродвигатель (в качестве исполнительного устройства).

Датчик фиксирует температуру охлаждающей жидкости в двигателе. На современных автомобилях могут устанавливаться два датчика: один на выходе из двигателя, другой – на выходе из радиатора. Управление вентилятором в данном случае производится на основании оценки разница показаний датчиков.

При управлении вентилятором используются другие входные устройства: датчик частоты вращения коленчатого вала,расходомер воздуха. Их показания учитываются при определении режима работы двигателя.

Сигналы от датчиков передаются в электронный блок управления двигателем, который их обрабатывает и при необходимости активирует реле включения вентилятора. Вентилятор начинает работать.

На автомобилях, оборудованных климатической установкой или тягово-сцепным устройством, устанавливается, как правило, два вентилятора, каждого из которых обслуживает свое реле включения. В зависимости от температуры вентиляторы могут работать как раздельно, так и вместе.

В последнее время вместо реле включения вентилятора используется блок управления вентилятором, который обеспечивает эффективную и экономичную работу вентилятора.

Насос охлаждающей жидкости обеспечивает принудительную циркуляцию охлаждающей жидкости в системе охлаждения. В некоторых источниках информации насос охлаждающей жидкости называют водяным насосом, что по своей сути неверно. Вода в качестве охлаждающей жидкости уже давно не используется.

Насос устанавливается, как правило, в передней части двигателя и может иметь два вида привода: механический и электрический.Механический привод производится от коленчатого или распределительного вала двигателя с помощью ременной передачи.Электрический привод предполагает установку электродвигателя с системой управления.

В качестве насоса охлаждающей жидкости используются насосы центробежного типа. В зависимости от марки двигателя насосы могут значительно отличиться, вместе с тем можно выделить следующее общее устройство насоса охлаждающей жидкости:

  1.  корпус;
  2.  рабочее колесо;
  3.  вал со шкивом.

Корпус насоса изготавливается из чугуна или литого алюминия. В корпусе выполнены каналы для подвода и отвода охлаждающей жидкости к рабочему колесу. Между корпусом насоса и блоком цилиндров двигателя устанавливается уплотнительная прокладка, предохраняющая от утечки охлаждающей жидкости из насоса.

Рабочее колесо (обиходное название – крыльчатка) непосредственно обеспечивает циркуляцию охлаждающей жидкости. Оно выполнено в виде лопастей специальной формы. Рабочее колесо монтируется на приводном валу. Вал расположен в корпусе на подшипниках. С противоположной стороны вала установлен приводной шкив.

Работа насоса охлаждающей жидкости осуществляется следующим образом. При вращении рабочего колеса на входе насоса создается разряжение, за счет которого охлаждающая жидкость из радиатора поступает в насос. Жидкость подается в центральную часть насоса, перемещается по лопастям и выбрасывается центробежной силой на выход из насоса и далее в рубашку охлаждения блока цилиндров.

В системе охлаждения может устанавливаться два насоса охлаждающей жидкости – основной и дополнительный. В зависимости от конструкции двигателя дополнительный насосвыполняет одну из функций:

  1.  дополнительное охлаждение двигателя (эксплуатация в странах с жарким климатом);
  2.  обеспечение работы автономного отопителя, включенного в систему охлаждения двигателя;
  3.  охлаждение отработавших газов в системе рециркуляции отработавших газов;
  4.  охлаждение турбонагнетателя на двигателях с турбонаддувом;
  5.  прокачка охлаждающей жидкости после выключения двигателя (для предотвращения перегрева двигателя после остановки).

Дополнительный насос охлаждающей жидкости имеет, как правило, электрический привод. Насос включен в систему управления двигателем и при необходимости включается (выключается) по сигналу электронного блока.

На некоторых двигателях концерна Volkswagen устанавливаетсяотключаемый насос охлаждающей жидкости. Отключаемый насос обеспечивает быстрый прогрев двигателя при запуске за счет отключения подачи охлаждающей жидкости до достижения температуры 30°С. При этом охлаждающая жидкость постоянно находится в двигателе и прогревается значительно быстрее. Помимо прогрева, применение отключаемого насоса приводит к снижению расхода топлива.

Схема отключаемого насоса охлаждающей жидкости

Прекращение подачи охлаждающей жидкости производится с помощью кольцевой диафрагмы (заслонки), которая перекрывает путь жидкости, крыльчатка при этом продолжает вращаться. Диафрагма рычагами соединена смембраной, которая перемещается под действием разряжения. Полость перед диафрагмой соединена магистралью с источником разряжения - впускным коллектором.

Вакуумный канал перекрывает регулировочный клапан, включенный в систему управления двигателем. При его открытии мембрана под действием разряжения перемещается, дезактивируется рабочее колесо насоса. При закрытии клапана мембрана под действием пружины возвращается на место, а диафрагма освобождает крыльчатку. Насос начинает работать.

Термостат используется в системе охлаждения двигателя для управления потоком охлаждающей жидкости между двигателем и радиатором. В результате его работы обеспечивается быстрый прогрев двигателя при запуске и поддержание оптимального температурного режима на всех режимах работы. Термостат в системе охлаждения двигателя применяется с 1922 года.

Местоположение термостата определяется типом и моделью двигателя, а также конструкцией системы охлаждения. Термостат, в большинстве своем, расположен на выходе из головки блока цилиндров или на входе насоса охлаждающей жидкости. На современных двигателях устанавливается термостат с твердым наполнителем. Под термином«твердый наполнитель» понимается физическое состояние термоэлемента термостата.

Конструктивно термостат представляет собой термочувствительный клапан, размещенный в латунной рамке. Клапан включает тарелку, насаженную на корпус. Корпус исполняет роль цилиндра, в который вставлен шток. Шток одним концом упирается в верхнюю рамку термостата, другим – в резиновую полость в корпусе. Между корпусом и резиновой полостью размещен термочувствительный элемент, состоящий из смеси гранулированного воска и меди.

Устройство термостата

При запуске двигателя термостат закрыт. Охлаждающая жидкость, выходя из блока цилиндров и снова туда возвращается, чем обеспечивается быстрый прогрев двигателя. Нагрев охлаждающей жидкости до температуры 80-90°С приводит к началу открытия термостата. При данной температуре термоэлемент расплавляется и увеличивается в объеме. Увеличение объема термоэлемента сопровождается перемещением корпуса термостата по штоку (шток перемещаться не может, т.к. закреплен на верхней рамке). Тарелка клапана, преодолевая усилие возвратной пружины, начинает открываться. Часть охлаждающей жидкости начинает циркулировать через радиатор и там охлаждаться.

При дальнейшем увеличении температуры охлаждающей жидкости термостат все больше открывается, и, соответственно, все больше жидкости проходит через радиатор. Термостат полностью открыт при температуре порядка 95-105°С. При различных режимах работы двигателя происходит постоянное изменение величины открытия термостата, чем достигается поддержание оптимальной температуры.

На двигателях устанавливаются различные виды термостатов, среди которых можно выделить:

  1.  одноклапанный термостат;
  2.  двухступенчатый термостат;
  3.  двухклапанный термостат;
  4.  термостат с электронным управлением.

Одноклапанный термостат имеет самое простое устройство. Все, что было сказано выше про термостат, относится именно к одноклапанному термостату. Данный вид конструкции термостата наиболее популярен у зарубежных автопроизводителей.

Разновидностью одноклапанного термостата являетсядвухступенчатый термостат. В некоторых системах охлаждения создается высокое давление охлаждающей жидкости, которое клапану термостата достаточно сложно преодолеть. Для таких случаев разработана конструкция термостата, у которой клапан состоит из двух тарелок – малой и большой. Сначала открывается малая тарелка, т.к. для преодоления давления ей требуется меньше усилий. При открытии малая тарелка тянет за собой большую тарелку, которая в свою очередь полностью открывает проход для охлаждающей жидкости.

Двухклапанный термостат имеет два клапана (две тарелки), расположенные на одном корпусе. Первый (основной) клапан запирает большой круг охлаждающей жидкости. Второй (перепускной) клапан управляет малым кругом. Клапаны работают совместно – когда один запирает, другой открывает соответствующий контур. Данная конструкция термостата популярна на отечественных легковых и грузовых автомобилях.

Самым продвинутым является термостат с электронным управлением, который обеспечивает разные температурные режимы для разных режимов работы двигателя. Конструктивно это обычный одноклапанный термостат, в термоэлемент которого добавлено нагревательное сопротивление. Управление нагревом сопротивления осуществляется блоком управления двигателем. Данная конструкция термостата позволяет реализовать температурный режим 95-110°С при частичной нагрузке двигателя и 85-95°С при полной нагрузке. Эффект от применения электронного термостата заключается в снижении расхода топлива, а также некоторого увеличения мощности за счет более интенсивного охлаждения всасываемого воздуха.

На некоторых двигателях устанавливается два термостата, например в двухконтурной системе охлаждения. Один термостат отвечает за контур головки блока цилиндров и поддерживает в нем температуру 87°С. Другой термостат установлен в контуре блока цилиндров. Рабочая температура там выше – 105°С. Данная схема системы охлаждения используется на прогрессивных двигателях TSI и позволяет добиться определенного увеличения мощности за счет дополнительного охлаждения воздуха.

Предпусковым подогревателем называется устройство, предназначенное для облегчения запуска двигателя в холодных условиях. Как правило, термином «предпусковой подогреватель» называют подогреватели охлаждающей жидкости в системе охлаждения. Вместе с тем, предпусковой подогрев двигателя обеспечивают и другие устройства: свечи накаливания,подогреватели дизельного топливаподогреватели масла. Предпусковой подогреватель устанавливается на автомобили в качестве опции или отдельно.

В зависимости от способа создания тепловой энергии различают три вида предпусковых подогревателей:

  1.  топливный подогреватель;
  2.  электрический подогреватель;
  3.  тепловой аккумулятор.

Топливный подогреватель

Наибольшее применение на отечественных легковых и грузовых автомобилях нашли топливные подогреватели, использующие для подогрева охлаждающей жидкости энергию сгорания топлива (бензин, дизельное топливо, газ). Основное преимущество топливных подогревателей автономность, т.к. они используют источник энергии, находящийся на автомобиле. Поэтому другое название таких подогревателей – автономные подогреватели.

Топливный подогреватель встраивается в штатные систему охлаждения, топливную систему и выпускную систему. Топливный обогреватель, как правило, выполняет две функции:

  1.  подогрев охлаждающей жидкости,
  2.  подогрев воздуха и обогрев салона.

Имеются автономные подогреватели, осуществляющие только обогрев салона, т.н. воздушные отопители.

Схема предпускового подогревателя

Конструктивно топливный обогреватель объединяет нагревательный (теплообразующий) модуль и систему управления.

Нагревательный модуль включает топливный насос, сопло, свечу накаливания, камеру сгорания, теплообменник, вентилятор. Насос обеспечивает подачу топлива в подогреватель, где оно распрыскивается, смешивается с воздухом и воспламеняется от свечи накаливания. Тепловая энергия сгорающей смеси через теплообменник нагревает охлаждающую жидкость. Продукты сгорания отводятся в выпускную систему с помощью вентилятора.

Охлаждающая жидкость циркулирует по малому кругу системы охлаждения естественным путем (снизу вверх) илипринудительно (водяной насос). После того, как охлаждающая жидкость достигнет заданной температуры, реле включает вентилятор системы отопления и кондиционирования и происходит обогрев салона автомобиля. При достижении максимальной температуры подогреватель выключается.

В разных конструкциях топливных подогревателей управление его работой может осуществляться непосредственно с помощью кнопки включения, таймера включения, пульта дистанционного управления, GSM-модуля, обеспечивающего запуск подогревателя по мобильному телефону.

Ведущими производителями топливных подогревателей являютсяWebasto (модель TermoTop), Eberspacher (модель Hydronic),Теплостар (модель Бинар).

Электрический подогреватель

Электрические подогреватели используют для подогрева охлаждающей жидкости электрическую энергию внешней сети переменного тока. Наибольшее применение электрические подогреватели нашли в северных европейских странах, вместе с тем, и в нашей стране они применяются достаточно часто.

Основными преимуществами электрических подогревателей являются отсутствие вредных выбросов при работе, бесшумность, низкая цена, быстрота нагрева жидкости, ведь по сути это электрический кипятильник.

Электрический подогреватель устанавливается непосредственно в рубашке охлаждения блока цилиндров или в одном из патрубков системы охлаждения.

Типовыми функциями электрического подогревателя являются:

  1.  подогрев охлаждающей жидкости;
  2.  подогрев воздуха и обогрев салона;
  3.  зарядка аккумуляторной батареи.

Электрический подогреватель имеет следующее устройство:

  1.  электрический нагревательный элемент мощностью до 3 квт;
  2.  электронный блок управления;
  3.  модуль подзарядки аккумуляторной батареи.

Принцип работы электрического подогревателя аналогичен топливному подогревателю. Основное отличие в способе подогрева охлаждающей жидкости. Электрический подогреватель также обеспечивает подзарядку аккумуляторной батареи, что является актуальным при эксплуатации автомобиля в условиях низких температур воздуха.

Ведущими производителями электрических подогревателей являются фирмы Defa (модель WarmUp), Лидер (модель Северс).

Тепловой аккумулятор

Тепловой аккумулятор являются самым редким видом предпускового подогревателя, несмотря на то, что имеет высокую эффективность. Наряду с названием тепловой аккумулятор, уместно другое наименование – система аккумулирования тепловой энергии охлаждающей жидкости.

Система аккумулирования тепловой энергии выполняет следующие функции:

  1.  накопление тепловой энергии;
  2.  хранение тепловой энергии;
  3.  использование энергии для подогрева охлаждающей жидкости;
  4.  использование энергии для подогрева воздуха и отопления салона.

Конструкция данной системы включает:

  1.  тепловой аккумулятор;
  2.  насос охлаждающей жидкости;
  3.  гидрораспределитель;
  4.  блок управления.

Тепловой аккумулятор как элемент системы аккумулирования тепловой энергии служит для хранения нагретой охлаждающей жидкости. Он представляет собой металлический цилиндр с вакуумной изоляцией. Насос обеспечивает зарядку теплового аккумулятора нагретой охлаждающей жидкостью и его разрядку при запуске двигателя. Зарядка аккумулятора осуществляется автоматически по сигналу блока управления и периодически повторяется во время движения.

Разряд аккумулятора производится с нажатием соответствующей кнопки, при этом включается насос и горячая жидкость нагнетается в контур малого круга системы охлаждения. Гидрораспределитель регулирует потоки охлаждающей жидкости между двигателем и отопителем салона.

Выпускная система (другое наименование - система выпуска отработавших газов, выхлопная система) предназначена для отвода отработавших газов из цилиндров двигателя, их охлаждения, а также снижения шума и токсичности.

Система выпуска отработавших газов имеет следующее общее устройство:

  1.  выпускной коллектор;
  2.  приемная труба глушителя;
  3.  виброизолирующая муфта;
  4.  каталитический нейтрализатор;
  5.  сажевый фильтр;
  6.  кислородный датчик;
  7.  предварительный глушитель;
  8.  основной глушитель;
  9.  соединительные трубы.

Схема выпускной системы

Все конструктивные элементы выпускной системы расположены под днищем автомобиля.

Выпускной коллектор обеспечивает непосредственный отвод отработавших газов, а также продув цилиндров двигателя. Форма и размеры выпускного коллектора определяют характер колебательного процесса отработавших газов в выпускной системе, и в итоге влияют на мощность и крутящий момент двигателя. Колебательный процесс отработавших газов в выпускной системе должен быть согласован с колебательным процессом топливно-воздушной смеси в впускной системе.

На выпускной коллектор приходится самая большая температурная нагрузка, поэтому он изготавливается, как правило, из жаропрочного чугуна. К выпускному коллектору крепитьсяприемная труба глушителя.

Для изоляции конструктивных элементов выпускной системы от вибрации двигателя используется виброизолирующая муфта(обиходное название - сильфон). Сильфон представляет собой гибкий металлический шланг, закрытый стальной оболочкой.

Каталитический нейтрализатор предназначен для уменьшения концентрации вредных веществ в отработавших газах. В обиходе каталитический нейтрализатор называют катализатором. Разные модели автомобилей различаются конструкцией и расположением каталитических нейтрализаторов. На современных автомобилях применяются трехкомпонентные каталитические нейтрализаторы, защищающие от трех вредных веществ - несгоревших углеводородов, оксида углерода и оксида азота.

На дизельных двигателях применяется сажевый фильтр, который обеспечивает снижение выброса сажи в атмосферу с отработавшими газами. В выпускной системе сажевый фильтр может быть объединен с каталитическим нейтрализатором.

В современном автомобиле помимо выпускной системы применяются и другие экологические системы, среди которых:

  1.  система вентиляции картера;
  2.  система рециркуляции отработавших газов;
  3.  система улавливания паров бензина.

Кислородный датчик служит для управления составом топливно-воздушной смеси двигателя за счет измерения кислорода в отработавших газах. Кислородный датчик хоть и устанавливается в выпускной системе, является конструктивным элементом системы управления двигателем.

В современных системах управления устанавливается два кислородных датчика – один перед каталитическим нейтрализатором, другой – за ним. Помимо кислородного датчика в выпускном тракте могут устанавливаться другие входные устройства: датчик температуры отработавших газов, датчик оксидов азота.

Глушитель, как следует из названия, предназначен для снижения уровня шума и преобразования энергии отработавших газов. Глушитель состоит из нескольких частей. В большинстве своем глушитель включает два элемента - предварительный глушитель (резонатор) и основной глушитель. Снижение шума в глушителе происходит за счет наложения звуковых волн, многократного изменения направления и величины потока отработавших газов, а также их поглощения.

На спортивных автомобилях, а также при тюнинге автомобиля устанавливаются так называемые прямоточные глушители, обеспечивающие прирост мощности двигателя.

 

Выпускной коллектор – конструктивный элемент выпускной системы, предназначенный для отвода отработавших газов от отдельных цилиндров в общую трубу. Другой функцией выпускного коллектора является обеспечение эффективного продува и наполнения камер сгорания.

Выпускной коллектор жестко закреплен на головке блока цилиндров. На выходе к нему присоединяется каталитический нейтрализатор или выпускная труба. Между выпускным коллектором и головкой блока цилиндров размещена прокладка, которая предотвращает утечку отработавших газов в подкапотное пространство. Выпускной коллектор работает в очень тяжелых условиях, характеризующихся высокой температурой (до 1300°С) и давлением.

Различают два типа выпускных коллекторов – цельный и трубчатый. Цельный коллектор имеет короткие каналы, которые объединяются в общую камеру. Изготавливается из жаропрочного чугуна. Цельный выпускной коллектор имеет низкую эффективность отвода отработавших газов и продувки камеры сгорания, т.к. короткие каналы создают препятствия в виде импульсов газов каждого цилиндра. С другой стороны цельный выпускной коллектор прост в изготовлении и имеет невысокую стоимость.

На современные легковые автомобили устанавливаются в основном трубчатые выпускные коллекторы, которые эффективны в диапазоне средних и высоких оборотов, улучшают мощностные характеристики двигателя. Трубчатые выпускные коллекторы изготавливаются из нержавеющей стали, реже из керамики. Для достижения наилучших параметров отвода отработавших газов и продува камер сгорания длина, диаметр труб и их конструкция (форма) должны быть оптимизированы.

Движение отработавших газов в выпускной системе представляет собой колебательный процесс. Короткая труба выпускного коллектора позволяет достигать резонансный эффект, при котором происходит наилучшая продувка камер сгорания, на высоких оборотах двигателя. С длинной трубой наоборот, резонансный эффект достигается в области низких оборотов. При этом длинные трубы предотвращают возврат отработавших газов в соседние камеры сгорания, в которых еще не закрылись выпускные клапаны.

Малый диаметр трубы обеспечивает высокую скорость отработавших газов, при которой происходит лучшая инерционная продувка камеры сгорания и достигается номинальный крутящий момент на низких и средних оборотах. С другой стороны трубы малого диаметра создают дополнительное сопротивление потоку при высоких оборотах двигателя. С помощью трубы большого диаметра получают прирост мощности на высоких оборотах и снижение на низких.

В настоящее время распространены две схемы трубчатых выпускных коллекторов:

  1.  4-1 или короткий коллектор (четыре трубы соединены в одну трубу);
  2.  4-2-1 или длинный коллектор (четыре трубы соединены попарно и далее соединены в одну трубу).

Трубчатый выпускной коллектор является важным элементом тюнинга автомобиля. Для одной машины может быть предложено несколько конструкций выпускных коллекторов и, соответственно, достигнут различный эффект. Короткий коллектор дает добавочную мощность в узком диапазоне оборотов. Длинный коллектор более универсальный, так как обеспечивает прирост мощности и крутящего момента в широком диапазоне оборотов двигателя.

К примеру, выпускной коллектор по схеме 4-2-1 применен на бензиновых двигателях, которые устанавливаются на автомобилях Mazda по технологии SkyActiv-G. Помимо прироста мощности, в данных двигателях реализована более высокая степень сжатия, а за счет улучшенной вентиляции цилиндров детонация в цилиндрах не наступает.

Во время работы двигателя выпускной коллектор нагревает воздух в подкапотном пространстве, соответственно нагревается воздух во впускной системе и снижается мощность. Для противодействия данному явлению производится теплоизоляция впускного коллектора. Различают различные способы теплоизоляции: установка теплоотражающего щитка, устройство высокотемпературной оплетки труб, выполнение коллектора с двойными стенками.

Выпускная система современных автомобилей включает каталитический нейтрализатор. Каталитический нейтрализатор(обиходное название – катализатор) предназначен для снижения выброса вредных веществ в атмосферу с отработавшими газами.

Каталитический нейтрализатор применяется как на бензиновых, так и на дизельных двигателях. Нейтрализатор обычно устанавливается непосредственно за выпускным коллектором или перед глушителем.

Каталитический нейтрализатор имеет следующее устройство:

  1.  блок-носитель;
  2.  теплоизоляция;
  3.  корпус.

Основным элементом каталитического нейтрализатора является блок-носитель, который служит основанием для катализаторов. Блок-носитель изготавливается из специальной огнеупорной керамики. Конструктивно блок-носитель состоит из множества продольных сот-ячеек, которые значительно увеличивают площадь соприкосновения с отработавшими газами.

На поверхность сот-ячеек тонким слоем наносятся вещества-катализаторы. В качестве таких веществ используются платина, палладий и родий. Катализаторы ускоряют протекание химических реакций в нейтрализаторе.

Платина и палладий относятся к окислительным катализаторам. Они способствуют окислению несгоревших углеводородов (СН) в водяной пар, оксида углерода (угарный газ, СО) в углекислый газ.

Родий является восстановительным катализатором. Он восстанавливает оксиды азота (NOx) в безвредный азот.

Таким образом, три катализатора снижают содержание в отработавших газах трех вредных веществ. Такой нейтрализатор называется трехкомпонентным каталитическим нейтрализатором.

Блок-носитель помещается в металлический корпус. Между ними обычно располагается слой теплоизоляции. В корпусе нейтрализатора устанавливается кислородный датчик.

Условием эффективной работы каталитического нейтрализатора является температура 300°С. При такой температуре задерживается порядка 90% вредных веществ. С целью быстрого прогрева нейтрализатора при запуске двигателя осуществляются следующие мероприятия:

  1.  установка нейтрализатора непосредственно за выпускным коллектором;
  2.  повышение температуры выхлопных газов за счет обогащения топливно-воздушной смеси

На легковых автомобилях с дизельным двигателем в составе выпускной системы с 2000 года применяется сажевый фильтр. С введением норм Евро-5 в январе 2011 года применение сажевого фильтра на легковых автомобилях с дизельным двигателем является обязательным.

Дизельный сажевый фильтр (в английском варианте Diesel Particulare Filter, DPF, в французском варианте Filtre a Particules, FAP, в немецком варианте RubPartikelFilter, RPF) предназначен для снижения выброса сажевых частиц в атмосферу с отработавшими газами. Применения фильтра позволяет добиться снижения частиц сажи в отработавших газах до 99,9 %.

В дизельном двигателе сажа образуется при неполном сгорании топлива. Частицы сажи имеют размер от 10 нм до 1 мкм. Каждая частица состоит из углеродного ядра, с которым соединены углеводороды, оксиды металлов, сера и вода. Конкретный состав сажи определяется режимом работы двигателя и составом топлива.

В выпускной системе сажевый фильтр располагается закаталитическим нейтрализатором. В ряде конструкций сажевый фильтр объединен с каталитическим нейтрализатором окислительного типа и располагается сразу за выпускным коллектором там, где температура отработавших газов максимальна. Он называется сажевый фильтр с каталитическим покрытием.

Основным конструктивным элементом сажевого фильтра является матрица, которая изготавливается из керамики (карбида кремния). Матрица помещена в металлический корпус. Керамическая матрица имеет ячеистую структуру, состоящую из каналов малого сечения, попеременно закрытых с одной и с другой стороны. Боковые стенки каналов имеют пористую структуру и играют роль фильтра.

В сечении ячейки матрицы имеют квадратную форму. Более совершенными являются входные ячейки восьмиугольной формы. Они имеют большую площадь поверхности (по сравнению с выходными ячейками), пропускают больше отработавших газов и обеспечивают больший срок службы сажевого фильтра.

В работе сажевого фильтра различается два последовательных этапа: фильтрация и регенерация сажи. При фильтрации происходит захват частиц сажи и оседание их на стенках фильтра. Наибольшую сложность для задержания представляют частицы сажи малого размера (от 0,1 до 1 мкм). Их доля невелика (до 5%), но это самые опасные для человека выбросы. Современные сажевые фильтры задерживают и эти частицы.

Скопившиеся при фильтрации частицы сажи создают препятствие для отработавших газов, что приводит к снижению мощности двигателя. Поэтому периодически требуется очистка фильтра от накопившейся сажи или регенерация. Различают пассивную и активную регенерацию сажевого фильтра. В современных фильтрах используется, как правило, пассивная и активная регенерация.

Пассивная регенерация сажевого фильтра осуществляется за счет высокой температуры отработавших газов (порядка 600°С), которая достигается при работе двигателя с максимальной нагрузкой. Другим способом пассивной регенерации является добавление в топливо специальных присадок, которые обеспечивают сгорание сажи при более низкой температуре (450-500°С).

При определенных режимах работы двигателя (небольшая нагрузка, движение в городе и др.) наблюдается недостаточно высокая температура отработавших газов и пассивная регенерация происходить не может. В этом случае осуществляется активная (принудительная) регенерация сажевого фильтра.

Активная регенерация сажевого фильтра производится путем принудительного повышения температуры отработавших газов в течение определенного промежутка времени. Накопленная при этом сажа окисляется (сгорает). Различают несколько способов увеличения температуры отработавших газов при активной регенерации:

  1.  поздний впрыск топлива;
  2.  дополнительный впрыск топлива на такте выпуска;
  3.  использование электрического нагревателя перед сажевым фильтром;
  4.  впрыск порции топлива непосредственно перед сажевым фильтром;
  5.  нагрев отработавших газов микроволнами.

Конструкция сажевого фильтра и систем, обеспечивающих его работу, постоянно совершенствуется. В настоящее время наиболее востребован сажевый фильтр с каталитическим покрытием и сажевый фильтр с системой ввода присадок в топливо.

Сажевый фильтр с каталитическим покрытием

Сажевый фильтр с каталитическим покрытием применяется на автомобилях концерна Volkswagen и ряда других производителей. В работе сажевого фильтра с каталитическим покрытием различают активную и пассивную регенерацию.

При пассивной регенерации происходит непрерывное окисление сажи за счет действия катализатора (платины) и высокой температуры отработавших газов (350-500°С). Цепочка химических преобразований при пассивной регенерации имеет следующий вид:

  1.  оксиды азота вступают в реакцию с кислородом в присутствии катализатора с образованием диоксида азота;
  2.  диоксид азота вступает в реакцию с частицами сажи (углеродом) с образованием оксида азота и угарного газа;
  3.  оксид азота и угарный газ вступают в реакцию с кислородом с образованием диоксида азота и углекислого газа.

Схема сажевого фильтра с каталитическим покрытием

Активная регенерация происходит при температуре 600-650°С, которая создается при помощи системы управления дизелем. Необходимость активной регенерации определяется на основании оценки пропускной способности сажевого фильтра, которая осуществляется с помощью следующих датчиков системы управления дизелем: расходомер воздуха; датчик температуры отработавших газов до сажевого фильтра; датчик температуры отработавших газов после сажевого фильтра; датчик перепада давления в сажевом фильтре.

На основании электрических сигналов датчиков электронный блок управления производит дополнительный впрыск топлива в камеру сгорания, а также снижает подачу воздуха в двигатель и прекращает рециркуляцию отработавших газов. При этом температура отработавших газов поднимается до требуемой для рециркуляции величины.

Сажевый фильтр с системой ввода присадок в топливо

Сажевый фильтр с системой ввода присадок в топливо является разработкой концерна PSA (Peuqeot-Citroen). Так как первопроходцами использования присадок для регенерации являются французы, за фильтром закрепилось название FAP-фильтр (от французского Filtre a Particules). Аналогичный подход реализован в сажевых фильтрах других автопроизводителей (Ford, Toyota).

В системе используется содержащая церий присадка, которая добавляется в топливо и обеспечивает сжигание сажи при более низкой температуре (450-500°С). Но и эта температура отработавших газов не всегда может быть достигнута, поэтому в системе периодически выполняется активная регенерация сажевого фильтра. Сажевый фильтр устанавливается, как правило, отдельно за каталитическим нейтрализатором.

Схема сажевого фильтра с системой ввода присадок в топливо

Присадка хранится в отдельном бачке, емкостью 3-5 л, которой хватает на 80-120 тыс. км пробега (срок службы фильтра). Конструктивно бачок может находиться в топливном баке или вне его. Уровень присадки в бачке контролируется с помощью датчика поплавкового типа. В топливный бак присадка подается с помощью электрического насоса. Подача присадки осуществляется при каждой заправке топливного бака пропорционально заправляемому объему топлива. Начало и продолжительность подачи присадки регулируется блоком управления двигателем (в некоторых конструкциях отдельным электронным блоком).

Побочным эффектом применения присадки является то, что при сгорании она оседает в виде золы на стенки фильтра и не выводится из него, что сокращает ресурс устройства. Срок службы современного сажевого фильтра составляет 120000 км пробега. Производители декларируют выпуск в ближайшее время фильтра с ресурсом 250000 км.

Ввиду высокой стоимости сажевые фильтры, выработавшие ресурс, автовладельцами, как правило, не заменяются, а удаляются с последующей перепрошивкой системы управления двигателем.

Глушитель является важным конструктивным элементом выпускной системы, без которого эксплуатация современного автомобиля просто невозможна. Автомобильный глушитель выполняет следующие основные функции:

  1.  снижение уровня шума отработавших газов;
  2.  преобразование энергии отработавших газов, снижение их скорости, температуры, пульсации.

Отработавшие газы, покидающие цилиндры двигателя, имеют высокое давление. При движении отработавших газов по выпускной системе создаются звуковые волны, распространяющиеся быстрее газов. Глушитель преобразует энергию звуковых колебаний в тепловую энергию, чем достигается снижение уровня шума до определенного (заданного) значения. Вместе с тем с применением глушителя в выпускной системе создается противодавление, которое приводит к некоторому снижению мощности двигателя.

В глушителе используется несколько технологий снижения уровня шума:

  1.  расширение (сужение) потока;
  2.  изменение направления потока;
  3.  интерференция звуковых волн;
  4.  поглощение звуковых волн.

Расширение потока реализовано посредством нескольких камер разного объема, разделенных перегородками. Позволяет эффективно гасить низкочастотные звуковые колебания. Наряду с расширением в глушителе осуществляется сужение потока с помощью диафрагменного отверстия (дросселя). Используется для гашения высокочастотного шума.

В глушителе, за исключением прямоточных глушителей, предусматривается изменение направления движения потокаотработавших газов. Угол поворота потока находится в пределе 90-360°, чем достигается гашение средне- и высокочастотных звуковых колебаний.

Интерференция звуковых волн, в зависимости от характера их наложения, приводит к увеличению (конструктивная интерференция) или уменьшению (деструктивная интерференция) амплитуды колебаний. В глушителе используются оба вида интерференции. Технология реализована с помощью перфорационных отверстий в трубах глушителя. Изменяя размер отверстий и объем окружающей трубу камеры можно добиться гашения звуковых колебаний в широком диапазоне частот.

При прохождении звуковых волн через специальный звукопоглощающий материал происходит их поглощение. Данный способ эффективен при гашении высокочастотных звуковых колебаний.

Для достижения наибольшего эффекта данные технологии в глушителях используются, как правило, в комплексе.

В современных автомобилях устанавливается от одного до пяти глушителей, в основном – два. Ближайший к двигателю глушитель называется предварительным (передним) глушителем или резонатором. За ним следует основной (задний) глушитель. Для каждой конкретной модели автомобиля и марки двигателя используется свой набор глушителей.

Устройство резонатора

Резонатор служит для предварительного снижения уровня шума и уравновешивания пульсаций потока отработавших газов. Конструктивно резонатор представляет собой перфорированную трубу, помещенную в металлический корпус. Для повышения эффективности гашения колебаний в трубе выполняется дроссельное отверстие.

Устройство основного глушителя

Основной глушитель обеспечивает окончательное шумоподавление. Он имеет более сложную конструкцию. В металлическом корпусе размещается несколько перфорированных трубок. Корпус разделен перегородками на 2-4 камеры. Некоторые камеры могут заполняться звукопоглощающим материалом. В основном глушителе поток отработавших газов многократно меняет свое направление –лабиринтный глушитель.

Из всех конструктивных элементов выпускной системы больше всех подвергается модернизации (тюнингу) глушитель. При тюнинге выпускной системы устанавливается т.н. прямоточный глушитель(одна прямоточная труба на все камеры без изменения направления потока). Такой глушитель обладает меньшим противодавлением, но существенной прибавки в мощности двигателя он не дает. Основное преимущество прямоточного глушителя «благородное» или «спортивное» звучание автомобиля (кому, что больше нравиться).

Устройство прямоточного глушителя

Конструкция прямоточного глушителя объединяет корпус из нержавеющей стали, в котором размещена перфорированная труба, обернутая стальной сеткой и звукопоглощающим материалом. Стальная сетка обеспечивает в основном защиту звукопоглощающего материала от выдува. В качестве звукопоглощающего материала используется стекловолокно. В прямоточном глушителе звуковые волны беспрепятственно проходят через отверстия трубы, металлическую сетку и поглощаются стекловолокном (преобразуются в тепловую энергию).

Кислородный датчик (другое наименование лямбда-зонддатчик концентрации кислорода) служит для определения количества кислорода в отработавших газах.

Для обеспечения эффективной (экономичной и экологичной) работыдвигателя внутреннего сгорания соотношение воздуха и топлива в топливно-воздушной смеси должно быть постоянным на всех режимах работы. Это достигается использованием кислородного датчика в выпускной системе. Сам процесс управления содержанием кислорода в выхлопных газах называется лямбда-регулирование.

Так, при недостатке воздуха в топливно-воздушной смеси, углеводороды и угарный газ полностью не окисляются. С другой стороны, при избытке воздуха оксиды азота полностью не разлагаются на азот и кислород.

Лямбда-зонд устанавливается ввыпускной системе. На отдельных моделях автомобилей применяется два кислородных датчика: один устанавливается до каталитического нейтрализатора, другой – после. Применение двух кислородных датчиков усиливает контроль за составом отработавших газов и обеспечивает эффективную работу нейтрализатора.

В зависимости от конструкции различают два вида кислородных датчиков:

  1.  двухточечный датчик;
  2.  широкополосный датчик.

Двухточечный датчик устанавливается как перед нейтрализатором, так и за ним. Датчик фиксирует коэффициент избытка воздуха в топливно-воздушной смеси (λ) по величине концентрации кислорода в отработавших газах.

Двухточечный датчик представляет собой керамический элемент, имеющий двухсторннее покрытие из диоксида циркония. Измерение осуществляется электрохимическим способом. Электрод одной стороной контактирует с выхлопными газами, друго - с атмосферой.

Принцип действия двухточечного кислородного датчикаоснован на измерении содержания кислорода в отработавших газах и атмосфере. При разной концентрации кислорода в отработавших газах и атмосфере на концах электрода создается напряжение. Чем выше содержание кислорода (обедненная топливно-воздушная смесь), тем ниже напряжение, чем ниже содержание кислорода (обогащенная топливно-воздушная смесь), тем выше напряжение.

Электрический сигнал от кислородного датчика поступает в электронный блок управления системы управления двигателем. В зависимости от величины сигнала блок управления воздействуют на исполнительные органы подконтрольных ему систем автомобиля.

Широкополосный датчик представляет собой современную конструкцию лямбда-зонда. Он применяется в качестве входного датчика каталитического нейтрализатора. В широкополосном датчике значение "лямбда" определяется с использованием силы тока закачивания.

В отличие от двухточечного датчика широкополосный датчик состоит из двух керамических элементов - двухточечного и закачивающего. Под закачиванием понимается физический процесс, при котором кислород из отработавших газов проходит через закачивающий элемент под воздействием определенной силы тока.

Принцип работы широкополосного датчика основан на поддержании постоянного напряжения (450 мВ) между электродами двухточечного элемента за счет изменения силы тока закачивания.

Снижение концентрации кислорода в отработавших газах (обогащенная топливно-воздушная смесь) сопровождается ростом напряжения между электродами двухточечного керамического элемента. Сигнал от элемента подается в электронный блок управления, на основании которого создается ток, определенной силы, на закачивающем элементе.

Ток, в свою очередь, обеспечивает закачку в измерительный зазор и напряжение достигает нормативного значения. Величина силы тока при этом является мерой концентрации кислорода в отработавших газах. Она анализируется электронным блоком управления и преобразуется в управляющие воздействия на исполнительные устройства системы впрыска.

При обеднении топливно-воздушной смеси работа широкополосного датчика осуществляется аналогичным образом. Отличие состоит в том, что под действием тока происходит выкачивание кислорода из измерительного зазора наружу.

Эффективная работа кислородного датчика осуществляется при температуре 300°С. Для скорейшего достижения рабочей температуры лямбда-зонд оборудуется нагревателем.

Система рециркуляции отработавших газов (EGR – Exhaust Gas Recirculation) предназначена для снижения в отработавших газах оксидов азота за счет возврата части газов во впускной коллектор.

Оксиды азота образуются в двигателе под действием высокой температуры. Чем выше температура в камерах сгорания, тем больше образуется оксидов азота. Возврат части отработавших газов во впускной коллектор позволяет снизить температуру сгорания топливно-воздушной смеси, и, тем самым, уменьшить образование оксидов азота. При этом соотношение компонентов в топливно-воздушной смеси остается неизменным, а мощностные характеристики двигателя изменяются незначительно.

Система рециркуляции отработавших газов применяется как на бензиновых, так и на дизельных двигателях. На бензиновых двигателях внутреннего сгорания, оборудованных турбонаддувом, система рециркуляции отработавших газов не применяется.

На разных конструкциях двигателей система рециркуляции отработавших газов имеет различное устройство. Вместе с тем, можно выделить общие конструктивные элементы данной системы:

  1.  клапан рециркуляции;
  2.  управляющий клапан;
  3.  воздушные патрубки.

Схема системы рециркуляции отработавших газов

Клапан рециркуляциинепосредственно осуществляет перепускание отработавших газов извыпускной системы во впускной коллектор. Работа клапана основана на разряжении, возникающем во впускном коллекторе. За счет разряжения вакуумный преобразователь перемещает вал клапана. Величина открытия клапана определяет объем отработавших газов, поданных к впускному коллектору.

Управляющий клапан (другое наименование – активатор) регулирует величину разряжения, подающегося на клапан рециркуляции. Управляющий клапан представляет собой электромагнитный клапан. Работа клапана осуществляется по команде электронного блока управления в зависимости от режимов работы двигателя.

Принцип действия системы рециркуляции отработавших газов

На основании электрического сигнала от электронного блока управления открывается электромагнитный клапан. Разряжение из впускного коллектора подается на вакуумный преобразователь. Клапан рециркуляции открывается на определенную величину, и часть отработавших газов направляется во впускной коллектор.

Система рециркуляции отработавших газов не работает на холостом ходу, при холодном двигателе, а также при полностью открытой дроссельной заслонке.

На современных двигателях рециркуляция отработавших газов производится под контролем системы управления двигателем. Конструктивно такая система рециркуляции включаетдроссельный клапан с элетроприводом. Срабатывание системы происходит по команде блока управления двигателем на основании показаний входных датчиков. По сигналу включается электродвигатель и открывает дроссельную заслонку. Положение дроссельной заслонки контролируется потенциометрическим датчиком. Сигнал от датчика используется для определения величины перепускаемых газов.

На отдельных двигателях в системе рециркуляции отработавших газов применяется охлаждение газов. Охлаждение отработавших газов дополнительно снижает температуру сгорания и, тем самым, уменьшает образование оксидов азота. Охлаждение производится путем прохождения охлаждающей жидкости через клапан рециркуляции. Реже в системе рециркуляции отработавших газов используется специальный радиатор, включенный в систему охлаждения.

Система вентиляции картера предназначена для уменьшения выброса вредных веществ из картера двигателя в атмосферу. При работе двигателя из камер сгорания в картер могут просачиваться отработавшие газы. В картере также находятся пары масла, бензина и воды. Все вместе они называются картерными газами. Скопление картерных газов ухудшает свойства и состав моторного масла, разрушает металлические части двигателя.

На современных двигателях применяется принудительная система вентиляции картера закрытого типа. Система вентиляции картера у разных производителей и на разных двигателях может иметь различную конструкцию. Вместе с тем можно выделить следующие общие конструктивные элементы данной системы:

  1.  маслоотделитель;
  2.  клапан вентиляции картера;
  3.  воздушные патрубки.

Схема системы вентиляции картера

Маслоотделитель предотвращает попадание паров масла в камеру сгорания двигателя, тем самым уменьшает образование сажи. Различают лабиринтный и циклический способы отделения масла от газов. Современные двигатели оборудованы маслоотделителем комбинированного действия.

В лабиринтном маслоотделителе(другое наименование успокоитель) замедляется движение картерных газов, за счет чего крупные капли масла оседают на стенках и стекают в картер двигателя.

Центробежный маслоотделитель производит дальнейшее отделение масла от картерных газов. Картерные газы, проходя через маслоотделитель, приходят во вращательное движение. Частицы масла под действием центробежной силы оседают на стенках маслоотделителя и стекают в картер двигателя.

Для предотвращения турбулентности картерных газов после центробежного маслоотделителя применяется выходной успокоитель лабиринтного типа. В нем происходит окончательное отделение масла от газов.

Клапан вентиляции картера служит для регулирования давления поступающих во впускной коллектор картерных газов. При незначительном разряжении клапан открыт. При значительном разряжении во впускном канале клапан закрывается.

Работа системы вентиляции картера основана на использовании разряжения, возникающего во впускном коллекторе двигателя. Посредством разряжения газы выводятся из картера. В маслоотделителе картерные газы очищаются от масла. После чего, газы по патрубкам направляются во впускной коллектор, где смешиваются с воздухом и сжигаются в камерах сгорания.

В двигателях с турбонаддувом осуществляется дроссельное регулирование вентиляции картера.

Система улавливания паров бензина (EVAP - Evaporative Emission Control) предназначена для предотвращения утечки паров бензина в атмосферу. Пары образуются при нагреве бензина в топливном баке, а также при пониженном атмосферном давлении. Пары бензина аккумулируются в системе, при запуске двигателя выводятся во впускной коллектор и сжигаются в двигателе. Система применяется на всех современных моделях бензиновых двигателей.

Система улавливания паров бензина имеет следующее устройство:

  1.  угольный адсорбер;
  2.  электромагнитный клапан продувки адсорбера;
  3.  соединительные трубопроводы.

Основу конструкции системы составляет адсорбер, который собирает пары бензина из топливного бака. Адсорбер заполнен гранулами активированного угля, которые непосредственно поглощают и сохраняют пары бензина. Адсорбер имеет три внешних соединения:

  1.  с топливным баком (через него пары топлива поступают в адсорбер);
  2.  с впускным коллектором (через него происходит продувка адсорбера);
  3.  с атмосферой через воздушный фильтр или отдельный клапан на входе (через него создается перепад давления, необходимый для продувки).

Схема системы улавливания паров бензина

Освобождение адсорбера от накопленных паров бензина осуществляется с помощью продувки (регенерации). Для управления процессом регенерации в систему EVAP включен электромагнитный клапан продувки адсорбера. Клапан является исполнительным механизмом системы управления двигателем и располагается в трубопроводе, соединяющем адсорбер с впускным коллектором.

Продувка адсорбера производится при определенных режимах работы двигателя (частота вращения коленчатого вала, нагрузка). На холостом ходу и при холодном двигателе продувка не производится.

По команде электронного блока управления электромагнитный клапан открывается. Пары бензина, находящиеся в адсорбере, продуваются за счет разряжения во впускном коллекторе. Они направляются в коллектор и далее сжигаются в камерах сгорания двигателя.

Количество поступающих паров бензина регулируется временем открытия клапана. При этом в двигателе поддерживается оптимальное соотношение воздуха и топлива.

В двигателях с турбонаддувом при работе турбокомпрессораразряжение во впускном коллекторе не создается. Поэтому в систему EVAP включен дополнительный двухходовой клапан, который срабатывает и направляет пары топлива при продувке адсорбера:

  1.  во впускной коллектор (при отсутствии давления наддува);
  2.  на впуск компрессора (при наличии давления наддува).

Трансмиссия автомобиля

Трансмиссии полноприводных автомобилей имеют различные конструкции. В совокупности они образуют системы полного привода. Различают следующие виды систем полного привода:

  1.  постоянный полный привод;
  2.  полный привод подключаемый автоматически;
  3.  полный привод подключаемый вручную.

Разные виды систем полного привода имеют, как правило, разное предназначение. Вместе с тем можно выделить следующие общие преимущества данных систем, определяющие область их применение:

  1.  эффективное использование мощности двигателя;
  2.  лучшая управляемость и курсовая устойчивость на скользком покрытии;
  3.  повышенная проходимость автомобиля.

Система постоянного полного привода

Система постоянного полного привода (другое наименование –система полного привода Full Time, в переводе «полное время») обеспечивает постоянную передачу крутящего момента на все колеса автомобиля.

Система имеет следующее общее устройство:

  1.  сцепление;
  2.  коробка передач;
  3.  раздаточная коробка;
  4.  карданные передачи задней и передней оси;
  5.  главные передачи задней и передней оси;
  6.  мелколесные дифференциалы задней и передней оси;
  7.  полуоси колес.

Схема системы постоянного полного привода

Постоянный полный привод применяется как на автомобилях с заднеприводной компоновкой (продольное расположение двигателя и коробки передач), так и на автомобилях с переднеприводной компоновкой (поперечное расположение двигателя и коробки передач). Такие системы различаются в основном по конструкции раздаточной коробки и карданных передач.

Известными системами постоянного полного привода являются система Quattro от AudixDrive от BMW, 4Matic от Mercedes.

Сцепление обеспечивает кратковременное отсоединение двигателя от трансмиссии при переключении передач, а также предохранение элементов трансмиссии от перегрузок.

Коробка передач служит для изменения крутящего момента, скорости и направления движения автомобиля. В автоматической коробке передач функцию сцепления выполняет гидротрансформатор.

Раздаточная коробка предназначена для распределения крутящего момента по осям автомобиля и его увеличения при необходимости. Современная раздаточная коробка включает цепную передачу (зубчатую передачу), обеспечивающую передачу крутящего момента на переднюю ось, понижающую передачу в виде планетарного редуктора (в отдельных конструкциях) и межосевой дифференциал.

Наличие межосевого дифференциала является отличительной особенностью раздаточной коробки системы постоянного полного привода. Для полной реализации полноприводных возможностей в конструкции системы предусматривается блокировка межосевого дифференциала.

Блокировка дифференциала может осуществляться автоматически или вручную. Современными конструкциями автоматической блокировки межосевого дифференциала является вискомуфта,самоблокирующийся дифференциал Torsenмногодисковая фрикционная муфта.

Ручная (принудительная) блокировка дифференциала производится водителем с помощью механического, пневматического, электрического или гидравлического привода.

На некоторых конструкциях раздаточной коробки предусмотрены функции как автоматической, так и ручной блокировки межосевого дифференциала.

Карданные передачи обеспечивают передачу крутящего момента от вторичных валов раздаточной коробки на валы главных передач.

Главная передача служит для увеличения крутящего момента и его передачи на полуоси колес.

Межколесный дифференциал обеспечивает распределение крутящего момента между ведущими колесами и позволяет полуосям вращаться с различными угловыми скоростями. В системах полного привода межколесный дифференциал применяется на передней и задней оси.

Для реализации полноприводных возможностей один или оба дифференциала имеют возможность блокировки. Блокировка межколесного дифференциала может осуществляться вручную или автоматически (вискомуфта, дифференциал Torsen). На современных автомобилях применяется электронная блокировка дифференциала.

Принцип работы системы постоянного полного приводазаключается в следующем. Крутящий момент от двигателя передается на коробку передач и далее на раздаточную коробку. В раздаточной коробке момент распределяется по осям. При необходимости водителем может быть включена понижающая передача. Далее крутящий момент через карданные валы передается на главную передачу и межосевой дифференциал каждой из осей. От дифференциала крутящий момент через полуоси передается на ведущие колеса. При проскальзывании колес одной из осей автоматически или принудительно производится блокировка межосевого и межколесного дифференциалов.

Система полного привода подключаемого автоматически

Система полного привода подключаемого автоматически(другое наименование – система полного привода On demand, в переводе «по требованию») является перспективным направлением развития полного привода легковых автомобилей. Данная система обеспечивает подключение колес одной из осей в случае проскальзывания колес другой оси. В обычных условиях эксплуатации автомобиль является передне- или заднеприводным.

Практически все ведущие автопроизводители имеют в своем модельном ряду автомобили с автоматически подключаемым полным приводом. Известной системой полного привода подключаемого автоматически является 4Motion от Volkswagen.

Система полного привода подключаемого автоматически имеет следующее общее устройство:

  1.  сцепление;
  2.  коробка передач;
  3.  главная передача передней оси;
  4.  межколесный дифференциал передней оси;
  5.  раздаточная коробка;
  6.  карданная передача;
  7.  муфта подключения задней оси;
  8.  главная передача задней оси;
  9.  межколесный дифференциал задней оси;
  10.  полуоси.

Схема системы полного привода подключаемого автоматически

Раздаточная коробка в системе автоматически подключаемого полного привода представляет собой, как правило, конический редуктор. Понижающая передача и межосевой дифференциал отсутствуют.

В качестве муфты подключения задней оси используются следующие устройства:

  1.  вискомуфта;
  2.  электронноуправляемая фрикционная муфта.

Известной фрикционной муфтой является муфта Haldex, которая используется в системе полного привода 4Motion концерна Volkswagen.

Принцип работы системы полного привода подключаемого автоматически, оборудованного фрикционной муфтой, заключается в следующем. Крутящий момент от двигателя, через сцепление, коробку передач, главную передачу и дифференциал передается на переднюю ось автомобиля. Крутящий момент через раздаточную коробку и карданные валы также передается на фрикционную муфту. В нормальном положении фрикционная муфта имеет минимальное сжатие, при котором на заднюю ось передается до 10% крутящего момента. При проскальзывании колес передней оси по команде электронного блока управления срабатывает фрикционная муфта и передает крутящий момент на заднюю ось. Величина передаваемого на заднюю ось крутящего момента может изменяться в определенных пределах.

Система полного привода подключаемого вручную

Система полного привода подключаемого вручную (другое наименование - система полного привода Part Time, в переводе «частичное время») в настоящее время практически не применяется, т.к. является низкоэффективной. Вместе с тем, именно эта система обеспечивает жесткую связь передней и задней оси, передачу крутящего момента в соотношении 50:50 и поэтому является по настоящему внедорожной.

Устройство системы полного привода подключаемого вручнуюв целом аналогично системе постоянного полного привода. Основные отличия – отсутствие межосевого дифференциала и возможность подключения переднего моста в раздаточной коробке. Необходимо отметить, что в ряде конструкций постоянного полного привода используется функция отключения переднего моста. Правда в данном случае отключение и подключение это не одно и то же.

Система полного привода 4Motion относится к т.н. системам полного привода подключаемым автоматически. В данной системе крутящий момент двигателя распределяется по осям в зависимости от дорожной ситуации. Система 4Motion устанавливается на автомобили концерна Volkswagen с 1998 года. Название 4Motion является зарегистрированным товарным знаком.

Система полного привода 4Motion имеет следующее устройство:

  1.  коробка передач;
  2.  дифференциал передней оси;
  3.  раздаточная коробка;
  4.  карданная передача привода задней оси;
  5.  многодисковая фрикционная муфта;
  6.  главная передача и дифференциал задней оси.

Схема системы полного привода 4Motion

Дифференциал передней оси обеспечивает передачу крутящего момента от коробки передач к передним ведущим колесам. Корпус дифференциала передней оси соединен с раздаточной коробкой полым валом.

Раздаточная коробка представляет собой коническую передачу, с помощью которой крутящий момент передается под углом 90 град. Карданная передача привода задней оси соединяет раздаточную коробку и фрикционную муфту.

Карданная передача состоит из двух валов, соединенных шарниром равных угловых скоростей. К раздаточной коробке и фрикционной муфте валы присоединяются с помощью упругих муфт. Задний карданный вал имеет промежуточную опору.

В системе полного привода 4Motion применяется многодисковая фрикционная муфта Haldex. Муфта обеспечивает управляемую передачу крутящего момента (величина передаваемого крутящего момента определяется степенью замыкания муфты) от передней к задней оси автомобиля. Муфта Haldex встроена в картер дифференциала задней оси.

В настоящее время в системе полного привода 4Motion используетсямуфта Haldex четвертого поколения (автомобили Volkswagen Tiguan), которая имеет более простую конструкцию в сравнении с предшественниками. До этого устанавливались муфты первого и второго поколений (автомобили Volkswagen Golf IV, V – опционально, Volkswagen Transporter).

Конструктивно муфта Haldex включает:

  1.  пакет фрикционных дисков;
  2.  систему управления;
  3.  насос;
  4.  аккумулятор давления;
  5.  масляный фильтр;
  6.  масляные магистрали.

Схема фрикционной муфты Haldex

Пакет фрикционных дисков представляет собой набор из фрикционных и стальных дисков. Фрикционные диски имеют внутреннее зацепление со ступицей. Стальные диски имеют внешнее зацепление с барабаном. Количество дисков определяет величину передаваемого крутящего момента (больше дисков – больше момент). Диски сжимаются поршнями.

Муфта Haldex имеет электронное управление, включающее входные датчики, блок управления и исполнительные устройства. Входным датчиком системы управления является датчик температуры масла.

Блок управления преобразует входящую информацию в управляющие воздействия на исполнительное устройство. Помимо датчика температуры масла электронный блок управления использует информацию от блока управления двигателемблока управления системы ABS, получаемую по CAN-шине.

Исполнительным устройством системы управления является клапан управления, регулирующий давление сжатия фрикционных дисков от 0 до 100% максимальной величины. Величина давления определяется положением клапана.

Насос и аккумулятор давления обеспечивают поддержание давления масла в системе на уровне 3 МПа.

Принцип работы системы полного привода 4Motion

Работа системы 4Motion определяется алгоритмом работы муфты Haldex, в котором можно выделить следующие характерные режимы:

  1.  начало движения;
  2.  начало движения с пробуксовкой;
  3.  движение с постоянной скоростью;
  4.  движение с пробуксовкой;
  5.  торможение.

При трогании с места и разгоне автомобиля клапан управления закрыт, диски муфты максимально сжаты. На задние колеса передается максимальный крутящий момент.

Если движение начинается с пробуксовкой обоих передних колес, клапан управления закрывается, фрикционные диски муфты сжимаются. Крутящий момент полностью передается на заднюю ось. При пробуксовке одного из передних колес в работу системы вначале включается электронная блокировка дифференциала.

При движении с постоянной скоростью клапан открывается, а диски сжимаются в зависимости от условий движения. На заднюю ось крутящий момент передается в определенных (незначительных) пределах.

Пробуксовка в движении автомобиля определяется на основании сигналов от блока управления системы ABS. При этом клапан открывается в зависимости от условий движения (какая ось и какие колеса буксуют).

При торможении клапан управления открыт, фрикционные диски муфты полностью разжаты. Крутящий момент на заднюю ось не передается.

Система полного привода quattro является системой постоянного полного привода, в которой крутящий момент постоянно передается на все колеса автомобиля. С 1980 года название quattroиспользуется автопроизводителем Audi для обозначения системы полного привода своих автомобилей и является зарегистрированным товарным знаком. Отличительной особенностью системы quattro является продольное расположение двигателя и элементов трансмиссии, которое характерно для большинства автомобилей Audi.

Несмотря на различия в конструкции систем полного привода конкретных автомобилей, можно выделить следующее общее устройство системы quattro:

  1.  коробка передач;
  2.  раздаточная коробка;
  3.  карданная передача привода задней оси;
  4.  главная передача и задний межколесный дифференциал;
  5.  вал привода передней оси;
  6.  главная передача и передний межколесный дифференциал.

Схема системы полного привода quattro

В трансмиссии quattro может устанавливаться как механическая коробка передач, так и коробка-автомат.

Раздаточная коробканепосредственно присоединена к коробке передач. Конструктивно она включает межосевой дифференциал, распределяющий крутящий момент на переднюю и заднюю оси. Корпус дифференциала имеет механическое соединение с коробкой передач. Распределение крутящего момента на оси в зависимости от конструкции раздаточной коробки может осуществляться непосредственно через приводные валы или отдельную зубчатую передачу.

В качестве межосевого дифференциала в системе полного привода quattro использовались и используются:

  1.  с 1981 года – свободный межосевой дифференциал с механической блокировкой;
  2.  с 1988 года – самоблокирующийся симметричный дифференциал Torsen с возможностью перераспределения крутящего момента на ось с лучшим сцеплением до 80%. Расположение сателлитов перпендикулярно приводным валам (Torsen Т-1);
  3.  с 2007 года – самоблокирующийся несимметричный дифференциал Torsen с распределением крутящего момента по осям в стандартном положении 40:60 и с возможностью перераспределения крутящего момента на ось с лучшим сцеплением до 70% - на переднюю ось и до 80% - на заднюю ось. Расположение сателлитов параллельно приводным валам (Torsen Т-3).
  4.  с 2010 года - самоблокирующийся несимметричный дифференциал с коронными шестернями с распределением крутящего момента по осям в стандартном положении 40:60 и с возможностью перераспределения крутящего момента на ось с лучшим сцеплением до 70% - на переднюю ось и до 85% - на заднюю ось (Audi RS5).

Раздаточная коробка автомобиля Audi Allroad дополнительно оснащается пониженной передачей.

Передача крутящего момента на заднюю ось осуществляется с помощью карданной передачи, состоящей из двух валов, трехшарниров равных угловых скоростей и одной промежуточной опоры.

Главная передача и задний межколесный дифференциал выполнены в отдельном картере. В разное время в системе quattro использовались следующие конструкции задних дифференциалов:

  1.  с 1981 года – свободный дифференциал с механической блокировкой (ручной или электропневматической);
  2.  с 1988 года - самоблокирующийся симметричный дифференциал Torsen (Audi V8);
  3.  с 1995 года – свободный дифференциал с электронной блокировкой.

Вал привода передней оси обеспечивает передачу крутящего момента от раздаточной коробки к главной передаче и межколесному дифференциалу передней оси. Он помещен в отдельный кожух. На последних моделях автомобилей Audi, оснащенных системой quattro, коробка передач, раздаточная коробка, вал привода, главная передача и дифференциал передней оси объединены в одном корпусе.

В качестве переднего межколесного дифференциала используется сободный дифференциал, к которому с 1995 года добавлена функция электронной блокировки дифференциала.

На автомобилях Audi с поперечным расположением двигателя (Audi A3/S3, Audi TT, Audi Q3) используется система полного привода подключаемого автоматически, аналогичная системе 4Motion с фрикционной муфтой Haldex.

Перспективная версия системы полного привода от Audi основана на использовании гибридной силовой установки и носит название E-tron quattro. Данную систему планируется устанавливать на серийные автомобили с 2014 года.

Схема системы полного привода E-tron quattro

Конструктивно система E-tron quattro включает в дополнение к двигателю внутреннего сгорания и коробке передач два электродвигателя - мощностью 33 кВт на передней оси и 60 кВТ - на задней. При этом задняя ось имеет только электрический привод. Питание электродвигателей осуществляется от литий-ионной аккумуляторной батареи, установленной в центральном тоннеле автомобиля.

Система полного привода 4Matic является разработкой Mercedes-Benz и устанавливается на некоторые модели легковых автомобилей. Название 4Matic – зарегистрированный товарный знак. Трансмиссия автомобилей с системой 4Matic имеет только автоматическую коробку передач.

История системы полного привода 4Matic включает три поколения:

Поколение, автомобили

Характеристика привода

1 поколение

(с 1986 года)

Е-класс (тип 124)

полный привод подключаемый автоматически, механические блокировки межосевого и заднего межколесного дифференциалов, управление приводом с помощью двух гидравлических муфт, при срабатывании системы ABS отключение полного привода

2 поколение

(с 1997 года)

Е-класс (тип 210)

постоянный полный привод, межосевой  и межколесные дифференциалы свободного типа, блокировка межколесных дифференциалов симулируется с помощью системы контроля тягового усилия

3 поколение

(с 2002 года)

С-класс (тип 203)

Е-класс (тип 211)

S-класс (тип 220)

постоянный полный привод, межосевой  и межколесные дифференциалы свободного типа, контроль за движением с помощью системы курсовой устойчивости, включающей систему контроля тягового усилия

Система полного привода 4Matic последнего поколения имеет следующее устройство:

  1.  автоматическая коробка передач;
  2.  раздаточная коробка;
  3.  карданная передача привода передней оси;
  4.  главная передача и передний межколесный дифференциал;
  5.  приводные валы с шарнирами равных угловых скоростей;
  6.  карданная передача привода задней оси;
  7.  главная передача и задний межколесный дифференциал;
  8.  полуоси задних колес.

Схема системы полного привода 4Matic

Центральным конструктивным элементом системы 4Matic являетсяраздаточная коробка, которая осуществляет бесступенчатое распределение крутящего момента по осям автомобиля.

Раздаточная коробка включает:

  1.  приводной вал;
  2.  сдвоенный планетарный редуктор;
  3.  вал привода задней оси;
  4.  вал привода передней оси;
  5.  цилиндрические шестерни.

Схема раздаточной коробки системы 4Matic

Планетарный редуктор выполняет в коробке функцию несимметричного межосевого дифференциала. Передача крутящего момента происходит таким образом, что на переднюю ось приходится 40% его номинальной величины, на заднюю ось – 60% (на некоторых моделях это соотношение 45:55).

Приводной вал соединен с водило планетарного редуктора. Вал привода задней оси вращается от солнечной шестерни большего диаметра. Вал привода передней оси полый, соединен с солнечной шестерней малого диаметра, с другой стороны с помощью цилиндрических шестерен соединен с карданной передачей передней оси.

В системе 4Matic не предусмотрено блокировок межосевого и межколесных дифференциалов. Автоматический контроль устойчивости при движении автомобиля обеспечивает система курсовой устойчивости ESP, которая включает систему контроля тягового усилия ETS, антипробуксовочную систему ASR иантиблокировочную систему тормозов ABS.

Система ETS (Electric Traction System) по конструкции аналогичнаэлектронной блокировке дифференциала. При срабатывании система симулирует блокировку межколесных дифференциаловпутем подтормаживания буксующих колес. При этом крутящий момент на колесе с лучшим сцеплением увеличивается, чем достигается уверенный разгон с места, ускорение на дорогах с плохим покрытием, т.е., устойчивое управление автомобилем в сложных условиях.

Система полного привода xDrive является разработкой концерна BMW и относится к системам постоянного полного привода. Система обеспечивает бесступенчатое, непрерывное и переменное распределение крутящего момента между передней и задней осью в зависимости от условий движения. В настоящее время система xDrive устанавливается на спортивных внедорожниках (SAV, Sports Activity Vehicle) Х1, Х3, Х5, Х6 и легковых автомобилях 3-й, 5-й и 7-й серий.

История развития полного привода от BMW включает четыре поколения:

Поколение

Характеристика

1 поколение,

с 1985 года

распределение крутящего момента между осями при нормальном движении в соотношении 37:63 (37% - на переднюю ось, 63% - на заднюю ось), блокировка межосевого дифференциала, заднего межколесного дифференциала с помощью вязкостной муфты (вискомуфты)

2 поколение,

с 1991 года

распределение крутящего момента между осями при нормальном движении в соотношении 36:64, блокировка межосевого дифференциала с помощью многодисковой муфты с электромагнитным управлением, блокировка заднего межколесного дифференциала с помощью многодисковой муфты с электрогидравлическим управлением, возможность перераспределения крутящего момента между осями (колесами) в пределах от 0 до 100%

3 поколение,

с 1999 года

распределение крутящего момента между осями при нормальном движении в соотношении 38:62, межосевой и межколесные дифференциалы свободного типа, электронная блокировка межколесных дифференциалов, взаимодействие с системой динамического контроля курсовой устойчивости

4 поколение,

с 2003 года

распределение крутящего момента между осями при нормальном движении в соотношении 40:60, функцию межосевого дифференциала выполняет многодисковая фрикционная муфта с электронным управлением, возможность перераспределения крутящего момента между осями в пределах от 0 до 100%, электронная блокировка межколесных дифференциалов, взаимодействие с системой динамического контроля курсовой устойчивости

 

Система полного привода xDrive в своей основе использует традиционную для BMW заднеприводную схему трансмиссии. Распределение крутящего момента между осями осуществляется с помощью раздаточной коробки, которая представляет собой зубчатую передачу привода передней оси, управляемую фрикционной муфтой. В трансмиссии спортивных внедорожников вместо зубчатой передачи используется цепная передача.

Схема раздаточной коробки системы xDrive

Система xDrive интегрирована с системой динамического контроля курсовой устойчивости DSC (Dynamic Stability Control). Помимоэлектронной блокировки дифференциала система DSC объединяетсистему контроля тяги DTC (Dynamic Traction Control), систему помощи при спуске HDC (Hill Descent Control) и др.

Взаимодействие систем xDrive и DSC осуществляется с помощью системы интегрального управления ходовой частью ICM (Integrated Chassis Management). Система ICM также обеспечивает связи ссистемой активного рулевого управления AFS (Active Front Steering).

Принцип работы системы полного привода xDrive

В работе системы полного привода можно выделить несколько характерных режимов, определяемых алгоритмом срабатывания фрикционной муфты:

  1.  трогание с места;
  2.  прохождение поворотов с избыточной поворачиваемостью;
  3.  прохождение поворотов с недостаточной поворачиваемостью;
  4.  движение на скользком покрытии;
  5.  парковка.

При трогании с места в нормальных условиях фрикционная муфта замкнута, крутящий момент распределяется по осям в соотношении 40:60, чем достигается максимальная тяга при разгоне. При достижении скорости 20км/ч распределение крутящего момента между осями осуществляется в зависимости от дорожных условий.

При прохождении поворотов с избыточной поворачиваемостью(заднюю ось заносит к наружной стороне поворота) фрикционная муфта замыкается с большей силой, а на переднюю ось направляется больший крутящий момент. При необходимости в работу включается система DSC, стабилизирующая движение автомобиля путем подтормаживания колес.

При прохождении поворотов с недостаточной поворачиваемостью (передняя ось сносится к наружной стороне поворота) фрикционная муфта размыкается, а на заднюю ось направляется до 100% крутящего момента. При необходимости в работу включается система DSC.

При движении на скользком покрытии (лед, снег, вода) пробуксовка отдельных колес предотвращается за счет блокировки фрикционной муфты и, при необходимости, электронной межколесной блокировки системы DSC.

Во время парковки фрикционная муфта полностью размыкается, автомобиль становиться заднеприводным, чем достигается снижение нагрузок в трансмиссии и рулевом управлении.

Раздаточная коробка является неотъемлемым атрибутом автомобиля, оборудованного системой полного привода. Раздаточная коробка имеет следующее предназначение:

  1.  распределяет крутящий момент по осям автомобиля;
  2.  увеличивает крутящий момент при движении по плохим дорогам и бездорожью.

Конструкция раздаточной коробки различается в зависимости от вида системы полного привода. Вместе с тем, можно выделить следующее общее устройство раздаточной коробки:

  1.  ведущий вал;
  2.  межосевой дифференциал;
  3.  механизм блокировки межосевого дифференциала;
  4.  вал привода задней оси;
  5.  цепная (зубчатая) передача;
  6.  понижающая передача;
  7.  вал привода передней оси.

Схема раздаточной коробки (без понижающей передачи)

Ведущий вал передает крутящий момент от коробки передач к раздаточной коробке.

Межосевой дифференциалпредназначен для распределения крутящего момента между осями и позволяет им вращаться с разными угловыми скоростями. Межосевой дифференциал может быть симметричным и несимметричным. Симметричный дифференциал распределяет крутящий момент между осями поровну, несимметричный – в определенном соотношении. В раздаточных коробках, используемых в системах полного привода подключаемого автоматически и полного привода подключаемого вручную межосевой дифференциал, как правило, не применяется.

Для полной реализации полноприводных возможностей предусматривается блокировка межосевого дифференциала. Под блокировкой межосевого дифференциала понимается полное или частичное выключение дифференциала, обеспечивающее жесткое соединение передней и задней осей между собой. Блокировка может осуществляться автоматически или вручную.

Современными механизмами автоматической блокировки межосевого дифференциала является:

  1.  вискомуфта;
  2.  самоблокирующийся дифференциал Torsen;
  3.  многодисковая фрикционная муфта.

Вязкостная муфта (вискомуфта) является наиболее простым и недорогим устройством автоматической блокировки дифференциала. Работа муфты основана на возникновении блокирующего момента при разности угловых скоростей осей. Конструктивно муфта состоит из набора перфорированных дисков, половина из которых соединена со ступицей, другая – с корпусом муфты. Диски помещены в силиконовую жидкость. При проскальзывании одной из осей увеличивается частота вращения определенных дисков, силиконовая жидкость становиться более вязкой (густеет) и муфта блокируется – образуется связь ступицы с корпусом муфты. К недостаткам вискомуфты можно отнести срабатывание с запаздыванием, неполная блокировка межосевого дифференциала, перегрев при длительном использовании, несовместимость с системой ABS.

Схема вязкостной муфты

Самоблокирующийся дифференциал Torsen представляет собой конструкцию, состоящую из червячных шестерен: ведущих (сателлиты) и ведомых (солнечные шестерни приводов осей). Блокировка в дифференциале происходит за счет сил трения в червячной передаче. При движении по твердому покрытию устройство работает как обычный межосевой дифференциал и распределяет крутящий момент по осям в равных отношениях. При проскальзывании одной из осей крутящий момент перебрасывается на ось с лучшими сцепными свойствами, при этом соотношение крутящих моментов может достигать 20:80. Ввиду ограничений по прочности конструкции дифференциал Torsen не применяется на внедорожных автомобилях.

Схема дифференциала Torsen

Многодисковая фрикционная муфта представляет собой набор фрикционных дисков с контролируемой степенью сжатия (блокировки). Муфта обеспечивает распределение крутящего момента между осями в зависимости от дорожных условий. В нормальных условиях крутящий момент распределяется по осям в равных отношениях. При проскальзывании одной из осей фрикционные диски сжимаются, чем достигается частичная или полная блокировка межосевого дифференциала. Крутящий момент перераспределяется на ось, имеющую лучшее сцепление с дорогой. Для выполнения своих функций муфта может иметь электрический (электродвигатель) или гидравлический (гидроцилиндр) привод и электронную систему управления.

Ручная (принудительная) блокировка дифференциала производится водителем с помощью механического, пневматического, электрического или гидравлического привода. На некоторых конструкциях предусмотрены функции как автоматической, так и ручной блокировки межосевого дифференциала.

Вал привода задней оси выполнен, как правило, соосно с ведущим валом.

Цепная передача обеспечивает передачу крутящего момента на переднюю ось. Она включает ведущее и ведомое зубчатые колеса и приводную цепь. Вместо цепной передачи в раздаточной коробке может использоваться цилиндрическая зубчатая передача. Раздаточная коробка в системе автоматически подключаемого полного привода представляет собой, как правило, конический редуктор.

Понижающая передача служит для увеличения крутящего момента при движении по плохим дорогам и бездорожью. Она присутствует в отдельных конструкциях раздаточных коробок внедорожных автомобилей. На современных автомобилях понижающая передача выполнена в виде планетарного редуктора.

В раздаточной коробке, устанавливаемой на автомобили с системой полного привода подключаемого вручную, предусмотрена возможность подключения переднего моста (в данном контексте мост и ось синонимы) в раздаточной коробке. Отдельные конструкции раздаточных коробок системы постоянного полного привода имеют функцию отключения передней оси.

Режимы работы раздаточной коробки определяются ее конструкцией. В совокупности раздаточная коробка может иметь следующие режимы работы:

  1.  включен задний мост;
  2.  включены оба моста;
  3.  включены оба моста при блокировке межосевого дифференциала;
  4.  включены оба моста на понижающей передаче при блокировке дифференциала;
  5.  включены оба моста при автоматической блокировке дифференциала.

Переключение режимов осуществляется с помощью рычага управления, копок на панели приборов или поворотного переключателя.

Карданная передача предназначена для передачи крутящего момента между валами, расположенными под углом друг к другу. В автомобиле карданная передача применяется, как правило, втрансмиссии и рулевом управлении.

Посредством карданной передачи могут соединяться следующие элементы трансмиссии:

  1.  двигатель и коробка передач;
  2.  коробка передач и раздаточная коробка;
  3.  коробка передач и главная передача;
  4.  раздаточная коробка и главная передача;
  5.  дифференциал и ведущие колеса.

Основным элементом карданной передачи является карданный шарнир. В зависимости от конструкции шарнира различают следующие типы карданных передач:

  1.  карданная передача с шарниром неравных угловых скоростей;
  2.  карданная передача с шарниром равных угловых скоростей;
  3.  карданная передача с полукарданным упругим шарниром;
  4.  карданная передача с полукарданным жестким шарниром.

Карданная передача с полукарданным жестким шарниром на автомобилях не применяется, т.к. не отвечает требованиям надежности и технологичности.

Карданная передача с шарниром неравных угловых скоростей

Карданная передача с шарниром неравных угловых скоростей имеет устоявшееся название – карданная передача, обиходное название – кардан. Данный тип передачи применяется в основном на заднеприводных автомобилях и автомобилях с полным приводом.

Карданная передача имеет следующее устройство:

  1.  шарниры неравных угловых скоростей;
  2.  карданные валы;
  3.  промежуточная опора;
  4.  соединительные устройства.

Схема карданной передачи

Шарнир неравных угловых скоростей объединяет две вилки, расположенные под углом 90° друг к другу, крестовину и фиксирующие элементы. Крестовина вращается в игольчатых подшипниках, установленных в проушинах вилок. Подшипники необслуживаемые, пластичная смазка закладывается в них при сборке и в процессе эксплуатации не меняется.

Особенностью шарнира неравных угловых скоростей является неравномерная (циклическая) передача крутящего момента, т.е. за один оборот ведомый вал дважды отстает и дважды обгоняет ведущий вал. Для компенсации неравномерности вращения в карданной передаче применяется не менее двух шарниров, по одному с каждой стороны карданного вала. При этом вилки противоположных шарниров располагаются в одной плоскости.

В карданной передаче в зависимости от расстояния, на которое передается крутящий момент, применяется один или двакарданных вала. При двухвальной схеме первый вал носит название промежуточного, второй – заднего карданного вала. Место соединения валов фиксируется с помощью промежуточной опоры. Промежуточная опора крепится к кузову (раме) автомобиля. Для компенсации, возникающих в результате работы, изменений длины карданной передачи в одном из валов выполняется шлицевое соединение.

Соединение карданной передачи с другими элементами трансмиссии производится с помощью соединительных элементов: фланцев, муфт и др.

Карданная передача с шарниром равных угловых скоростей

Карданная передача с шарниром равных угловых скоростей нашла широкое применение в переднеприводных автомобилях для соединения дифференциала и ступицы ведущего колеса.

Карданная передача данного типа включает два шарнира равных угловых скоростей, соединенных приводным валом. Ближайший к коробке передач (дифференциалу) шарнир носит название внутреннего, противоположный ему – внешний шарнир.

С целью снижения уровня шума карданная передача с шарниром равных угловых скоростей также применяется в трансмиссиях автомоблей с задним и полным приводом. В данном случае шарнир неравных угловых скоростей уступает более соершенной конструкции ШРУС.

Карданный шарнир равных угловых скоростей обеспечивает передачу крутящего момента от ведущего к ведомому валу с постоянной угловой скорость, независимо от угла наклона валов. Самым распространенным в конструкции трансмиссии переднеприводного автомобиля является шариковый шарнир равных угловых скоростей.

Шарнир равных угловых скоростей (сокращенное название – ШРУС, обиходное название – граната) имеет следующее устройство:

  1.  корпус;
  2.  обойма;
  3.  шарики;
  4.  сепаратор;
  5.  грязезащитный чехол.

Схема шарнира равных угловых скоростей

Корпус имеет внутреннюю сферическую форму. Внутри корпуса располагается обойма. В корпусе и обойме выполнены канавки, по которым движутся шарики. Такая конструкция обеспечивает равномерную передачу крутящего момента от ведомого вала к ведущему под изменяющимся углом. Сепаратор удерживает шарики в определенном положении. Для защиты шарнира от негативных факторов внешней среды (кислорода, воды, грязи) на ШРУС устанавливается грязезащитный чехол – «пыльник».

При изготовлении в шарнир равных угловых скоростей закладывается смазка, приготовленная на основе дисульфида молибдена.

Карданная передача с полукарданным упругим шарниром

Полукарданный упругий шарнир обеспечивает передачу крутящего момента между двумя валами, расположенными под небольшим углом, за счет деформации упругого звена.

Схема полукарданного упругого шарнира

Характерным примером данного типа шарнирного соединения являетсяупругая муфта Гуибо (Guibo). Муфта представляет собой предварительно сжатый шестигранный упругий элемент, с двух сторон которого крепятся фланцы ведущего и ведомого валов.

овременные модели автомобилей имеют в своем арсенале, как правило, несколько двигателей – как бензиновых, так и дизельных. Двигатели различаются по мощности, величине крутящего момента, частоте вращения коленчатого вала. С разными двигателями применяются и разные коробки передач: механикароботвариатори конечно автомат.

Адаптация коробки передач к конкретному двигателю и автомобилю осуществляется с помощью главной передачи, имеющей определенное передаточное число. В этомосновное предназначение главной передачи автомобиля.

Конструктивно главная передача представляет собой зубчатый редуктор, который обеспечивает увеличение крутящего момента двигателя и уменьшение частоты вращения ведущих колес автомобиля.

На преднеприводных автомобиля главная передача расположена вместе с дифференциалом в коробке передач. В автомобиле с задним приводом ведущих колес главная передача помещена в картер ведущего моста, где кроме нее находится и дифференциал. Положение главной передачи в автомобилях с полным приводом зависит от типа привода, поэтому может быть как в коробке передач, так и в ведущем мосту.

В зависимости от числа ступеней редуктора главная передача может быть одинарной или двойной. Одинарная главная передачасостоит из ведущей и ведомой шестерен. Двойная главная передача состоит из двух пара шестерен и применяется в основном на грузовых автомобилях, где требуется увеличение передаточного числа. Конструктивно двойная главная передача может выполняться центральной или разделенной. Центральная главная передача компонуется в общем картере ведущего моста. В разделенной передаче ступени редуктора разнесены: одна располагается в едущем мосту, другая – в ступице ведущих колес.

Вид зубчатого соединения определяет следующие типы главной передачи:

  1.  цилиндрическая;
  2.  коническая;
  3.  гипоидная;
  4.  червячная.

Цилиндрическая главная передача применяется на переднеприводных автомобилях, где двигатель и коробка передач расположены поперечно. В передаче используются шестерни с косыми и шевронными зубьями. Передаточное число цилиндрической главной передачи находится в пределах 3,5-4,2. Дальнейшее увеличение передаточного числа приводит к увеличению габаритов и уровня шума.

В современных конструкциях механической коробки передач применяется несколько вторичных валов (два и даже три), на каждом из которых устанавливается своя ведущая шестерня главной передачи. Все ведущие шестерни имеют зацепление с одной ведомой шестерней. В таких коробках главная передача имеет несколько значений передаточных чисел. По такой же схеме устроена главная передача роботизированной коробки передач DSG.

На пререднеприводных автомобилях может производиться замена главной передачи, являющаяся составной частью тюнинга трансмиссии. Это приводит к улучшению разгонной динамики автомобиля и снижению нагрузки на сцепление и коробку передач.

Коническая, гипоидная и червячная главные передачи применяются на заднеприводных автомобилях, где двигатель и коробка передач расположены параллельно движению, а крутящий момент на ведущую ось необходимо передать под прямым углом.

Из всех типов главной передачи заднеприводных автомобилей самой востребованной является гипоидная главная передача, которую отличает меньшая нагрузка на зуб и низкий уровень шума. Вместе с тем, наличие смещения в зацеплении зубчатых колес приводит к повышению трения скольжения и, соответственно, снижению КПД. Передаточное число гипоидной главной передачи составляет: для легковых автомобилей 3,5-4,5, для грузовых автомобилей 5-7.

Коническая главная передача применяется там, где не важны габаритные размеры и не ограничен уровень шума. Червячная главная передача ввиду трудоемкости изготовления и дороговизне материалов в конструкции трансмиссии автомобиля практически не применяется.

Дифференциал предназначен для передачи, изменения и распределения крутящего момента между двумя потребителями и обеспечения, при необходимости, их вращения с разными угловыми скоростями.

Дифференциал является одним из основных конструктивных элементов трансмиссии. Расположение дифференциала в трансмиссии автомобиля:

  1.  в заднеприводном автомобиле для привода ведущих колес – в картере заднего моста;
  2.  в переднеприводном автомобиле для привода ведущих колес – вкоробке передач;
  3.  в полноприводном автомобиле для привода ведущих колес – в картере переднего и заднего мостов;
  4.  в полноприводном автомобиле для привода ведущих мостов – враздаточной коробке.

Дифференциалы, используемые для привода ведущих колес, называются межколесными. Межосевой дифференциалустанавливается между ведущими мостами полноприводного автомобиля.

Конструктивно дифференциал построен на основе планетарного редуктора. В зависимости от вида зубчатой передач, используемой в редукторе, различают следующие виды дифференциалов:

  1.  конический;
  2.  цилиндрический;
  3.  червячный.

Конический дифференциал применяется в основном в качестве межколесного дифференциала. Цилиндрический дифференциалустанавливается чаще между осями полноприводных автомобилей.Червячный дифференциал, ввиду своей универсальности, может устанавливаться как между колесами, так и между осями.

Устройство дифференциала рассмотрено на примере самого распространенного конического дифференциала. Составные части дифференциала являются характерными и для других видов дифференциалов. Конический дифференциал имеет следующее общее устройство:

  1.  корпус;
  2.  сателлиты;
  3.  полуосевые шестерни.

Схема дифференциала

Корпус (другое наименование – чашка дифференциала) воспринимает крутящий момент от главной передачи и передает его через сателлиты на полуосевые шестерни. На корпусе жестко закреплена ведомая шестерня главной передачи. Внутри корпуса установлены оси, на которых вращаются сателлиты.

Сателлиты, играющие роль планетарной шестерни, обеспечивают соединение корпуса и полуосевых шестерен. В зависимости от величины передаваемого крутящего момента в конструкции дифференциала используется два или четыре сателлита. В легковых автомобилях применяется, как правило, два сателлита.

Полуосевые шестерни (солнечные шестерни) передают крутящий момент на ведущие колеса через полуоси, с которыми имеют шлицевое соединение. Правая и левая полуосевые шестерни могут иметь равное или различное число зубьев. Шестерни с равным числом зубьев образуют симметричный дифференциал, тогда как неравное количество зубьев характерно для несимметричного дифференциала.

Симметричный дифференциал распределяет крутящий момент по осям в равных соотношениях, независимо от величины угловых скоростей ведущих колес. Благодаря этим свойствам симметричный дифференциал используется в качестве межколесного дифференциала.

Несимметричный дифференциал делит крутящий момент в определенном соотношении, поэтому устанавливается между ведущими осями автомобиля.

Работа дифференциала

В работе симметричного межколесного дифференциала можно выделить три характерных режима:

  1.  прямолинейное движение;
  2.  движение в повороте;
  3.  движение по скользкой дороге.

При прямолинейном движении колеса встречают равное сопротивление дороги. Крутящий момент от главной передачи передается на корпус дифференциала, вместе с которым перемещаются сателлиты. Сателлиты, обегая полуосевые шестерни, передают крутящий момент на ведущие колеса в равном соотношении. Так как сателлиты на осях не вращаются, полуосевые шестерни движутся с равной угловой скоростью. При этом частота вращения каждой из шестерен равна частоте вращения ведомой шестерни главной передачи.

При движении в повороте внутреннее ведущее колесо (расположенное ближе к центру поворота) встречает большее сопротивление, чем наружное колесо. Внутренняя полуосевая шестерня замедляется и заставляет сателлиты вращаться вокруг своей оси, которые в свою очередь увеличивают частоту вращения наружной полуосевой шестерни. Движение ведущих колес с разными угловыми скоростями позволяет проходить поворот без пробуксовки. При этом, в сумме частоты вращения внутренней и наружной полуосевых шестерен всегда равна удвоенной частоте вращения ведомой шестерни главной передачи. Крутящий момент, независимо от разных угловых скоростей, распределяется на ведущие колеса в равном соотношении.

При движении по скользкой дороге одно из колес встречает большее сопротивление, тогда как другое проскальзывает - буксует. Дифференциал, в силу своей конструкции, заставляет вращаться буксующее колесо с увеличивающейся скоростью. Другое колесо при этом останавливается. Сила тяги на буксующем колесе, по причине низкой силы сцепления, мала, поэтому и крутящий момент на этом колесе тоже мал. А так как дифференциал у нас симметричный, то на другом колесе крутящий момент тоже будет небольшим. Тупиковая ситуация – автомобиль не может сдвинуться с места.

Для продолжения движения необходимо увеличить крутящий момент на свободном колесе. Это осуществляется с помощью блокировки дифференциала.

Особенностью работы свободного дифференциала является то, что при пробуксовке одного колеса (ведущей оси) на другое передается крутящий момент, недостаточный для движения. Блокировка дифференциала предназначена для увеличения крутящего момента на колесе (оси) с лучшим сцеплением.

Для того, чтобы заблокировать дифференциал необходимо выполнить одно из двух действий:

  1.  соединить корпус дифференциала с одной их полуосей;
  2.  ограничить вращение сателлитов.

В зависимости от степени блокирования блокировка дифференциала бывает:

  1.  полной;
  2.  частичной.

Полная блокировка дифференциала предполагает жесткое соединение частей дифференциала, при котором крутящий момент может полностью передаваться на колесо с лучшим сцеплением.

Частичная блокировка дифференциала характеризуется ограниченной величиной передаваемого усилия между частями дифференциала и соответствующего ей увеличения крутящего момента на колесе с лучшим сцеплением.

Величина повышения крутящего момента на свободном колесе оценивается коэффициентом блокировки. Другими словами,коэффициент блокировки выражает отношение крутящего момента на отстающем (свободном) колесе к моменту на забегающем (буксующем) колесе. Для симметричного свободного дифференциала коэффициент блокировки 1, т.к. крутящие моменты на каждом из колес всегда равны. В заблокированном дифференциале коэффициент блокировки может находится в пределе 3-5. Дальнейшее увеличение коэффициента блокировки нежелательно, т.к. может привести к поломке элементов трансмиссии.

Блокировка дифференциала применяется как на межколесных дифференциалах, так и на межосевых дифференциалах. Блокировка переднего межколесного дифференциала полноприводного автомобиля обычно не производится, чтобы не снижать управляемость.

Блокировка дифференциала может осуществляться принудительно и автоматически. Принудительная блокировка дифференциалапроизводится по команде водителя, поэтому другое ее названиеручная блокировкаАвтоматическая блокировка дифференциала выполняется с помощью специальных технических устройств – самоблокирующихся дифференциалов.

Принудительная блокировка дифференциала

Принудительная блокировка дифференциала производится, как правило, с помощью кулачковой муфты, обеспечивающей жесткое соединение корпуса дифференциала и одной из полуосей.

Замыкание (размыкание) кулачковой муфты производится с помощью механического, электрического, гидравлического или пневматического привода.

Механический привод объединяет рычаг и тросы или систему рычагов. Блокировка дифференциала производится водителем путем перемещения рычага в определенное положение на неподвижном автомобиле.

Гидравлический привод блокировки дифференциала включает главный и рабочий цилиндры. Исполнительным элементомпневматического привода является пневмоцилиндр (пневмокамера). В электрическом приводе для замыкания муфты используется электродвигатель. Включение блокировки дифференциала (инициация привода) производится путем нажатия соответствующей кнопки на панели приборов.

Жесткая принудительная блокировка применяется для преодоления автомобилем труднопроходимых участков, а при их прохождении обязательно выключается. Применяется в межколесных и межосевых дифференциалах полноприводных автомобилей.

Самоблокирующийся дифференциал

Самоблокирующийся дифференциал (другое название –дифференциал повышенного трения, Limited Slip Differential, LSD) по своей сути является компромиссом между свободным дифференциалом и полной блокировкой дифференциала, т.к. позволяет реализовать при необходимости возможности и того и другого.

Различают два вида самоблокирующихся дифференциалов:

  1.  дифференциалы, блокирующиеся от разности угловых скоростей колес;
  2.  дифференциалы, блокирующиеся от разности крутящих моментов.

К первым относятся дисковый дифференциал, дифференциал с вязкостной муфтой, а также т.н. электронная блокировка дифференциала. Блокируется в зависимости от разности крутящих моментов червячный дифференциал.

Простейший дисковый дифференциал представляет собой симметричный дифференциал, в который добавлены один или два пакета фрикционных дисков. Часть фрикционных дисков жестко связана с корпусом дифференциала, другая часть – с полуосью.

Принцип действия дифференциала повышенного трения дискового типа основан на силе трения, возникающей вследствие разности скоростей вращения полуосей.

При прямолинейном движении корпус дифференциала и полуоси вращаются с одинаковой скоростью, фрикционный пакет вращается как единое целое. При увеличении частоты вращения одной их полуосей, соответствующая ей часть дисков в пакете начинает вращаться быстрее. При этом между дисками возникает сила трения, препятствующая увеличению частоты вращения. Крутящий момент на свободном колесе увеличивается, чем достигается частичная блокировка дифференциала.

Степень сжатия фрикционных дисков может быть фиксированной (реализуется с помощью пружин постоянной жесткости) или переменной (осуществляется с помощью гидравлического привода, в т.ч. с электронным управлением).

Дисковый дифференциал LSD применяется в качестве межколесного дифференциала спортивных автомобилей, а также межосевого дифференциала автомобилей повышенной проходимости.

Вязкостная муфта (другое наименование – вискомуфта) представляет собой набор близко расположенных друг к другу перфорированных дисков, часть из которых жестко соединяется с корпусом дифференциала, другая часть – с приводным валом. Диски помещены в герметичный корпус, заполненный силиконовой жидкостью высокой вязкости.

Схема вязкостной муфты

При вращении корпуса дифференциала и приводного вала с одной скоростью блок перфорированных дисков вращается как одно целое. При увеличении скорости вращения приводного вала, соответствующая ему часть дисков начинает вращаться быстрее и перемешивает силиконовую жидкость. Жидкость твердеет, дифференциал блокируется. На другом приводном валу происходит увеличение крутящего момента. При восстановлении равенства скоростей жидкость теряет свои свойства и муфта разблокируется.

В связи с большим геометрическим размером вискомуфта применяется, как правило, для блокировки межосевого дифференциала. Вязкостная муфта также может использоваться и самостоятельно (вместо межосевого дифференциала) в системе полного привода, подключаемого автоматически.

В силу своей конструкции вискомуфта обладает инерционностью, склонна к нагреву и при торможении конфликтует с антиблокировочной системой тормозов, поэтому в настоящее время на автомобили практически не устанавливается.

Электронная блокировка дифференциала (или просто электронный дифференциал) является функцией антипробуксовочной системы. Реализуется путем автоматического подтормаживания буксующего колеса, сопровождаемого увеличением на нем силы тяги. Соответственно на колесе с лучшим сцеплением увеличивается крутящий момент.

Червячный самоблокирующийся дифференциал обеспечивает автоматическую блокировку в зависимости от разности крутящих моментов на корпусе и полуоси (приводном вале). При проскальзывании колеса, сопровождаемом падением крутящего момента, червячный дифференциал блокируется и перераспределяет крутящий момент на свободное колесо. Блокировка при этом частичная, а ее степень зависит от величины падения крутящего момента.

Известными конструкциями червячных дифференциалов являются дифференциал Torsen (от сокращенного Torque Sensing - чувствительный к крутящему моменту) и дифференциал Quaife. Конструкции данных дифференциалов представляют собой планетарный редуктор, состоящий из червячных шестерен: ведомых (полуосевых) и ведущих (сателлитов). Сателлиты могут располагаться параллельно полуосям (Quaife, Torsen Т-2) или перпендикулярно полуосям (Torsen Т-1).

Схема дифференциала Torsen

Особенностью червячной шестерни является то, что она может приводить во вращение другие шестерни, а сама не может вращаться от других шестерен. При этом говорят, червячная шестерня расклинивается. Данное свойство используется для частичной блокировки червячного дифференциала.

Червячные самоблокирующиеся дифференциалы широко применяются как в качестве межколесных, так и межосевых дифференциалов

Сцепление

 

Сцепление является важным конструктивным элементомтрансмиссии автомобиля. Сцепление предназначено для кратковременного отсоединения двигателя от трансмиссии и плавного их соединения при переключении передач, а также предохранения элементов трансмиссии от перегрузок и гашения колебаний. Сцепление автомобиля располагается между двигателем и коробкой передач.

В зависимости от конструкции различают следующие типы сцепления:

  1.  фрикционное сцепление;
  2.  гидравлическое сцепление;
  3.  электромагнитное сцепление.

Фрикционное сцепление передает крутящий момент за счет сил трения. В гидравлическом сцеплении связь обеспечивается за счет потока жидкости. Электромагнитное сцепление управляется магнитным полем.

Самым распространенным типом сцепления является фрикционное сцепление. Различает следующие виды фрикционного сцепления:

  1.  однодисковое сцепление;
  2.  двухдисковое сцепление;
  3.  многодисковое сцепление.

В зависимости от состояния поверхности трения сцепление может быть сухое и мокрое. В сухом сцеплении используется сухое трение между дисками. Мокрое сцепление предполагает работы дисков в жидкости.

На современных автомобилях устанавливается в основном сухое однодисковое сцепление. Однодисковое сцепление имеет следующее устройство:

  1.  маховик;
  2.  картер сцепления;
  3.  нажимной диск;
  4.  ведомый диск;
  5.  диафрагменная пружина;
  6.  подшипник выключения сцепления;
  7.  муфта выключения;
  8.  вилка сцепления.

Схема однодискового сцепления

Маховик устанавливается на коленчатом вале двигателя. Он выполняет роль ведущего диска сцепления . На современных автомобилях применяется, как правило, двухмассовый маховик. Такой маховик состоит из двух частей, соединенных пружинами. Одна часть соединена с коленчатым валом, другая - с ведомым диском. Конструкция двухмассового маховика обеспечивает сглаживание рывков и вибраций коленчатого вала. Вкартере сцепления размещаются конструктивные элементы сцепления. Картер сцепления крепиться болтами к двигателю.

Нажимной диск прижимает ведомый диск к маховику и при необходимости освобождает его от давления. Нажимной диск соединен с корпусом (кожухом) с помощью тангенциальных пластинчатых пружин. Тангенциальные пружины, при выключении сцепления, выполняют роль возвратных пружин.

На нажимной диск воздействует диафрагменная пружина, обеспечивающая необходимое усилие сжатия для передачи крутящего момента. Диафрагменная пружина наружным диаметром опирается на края нажимного диска. Внутренний диаметр пружины представлен упругими металлическими лепестками, на концы которых воздействует подшипник выключения сцепления. Диафрагменная пружина закреплена в корпусе. Для закрепления используются распорные болты или опорные кольца.

Нажимной диск, диафрагменная пружина и корпус образуют единый конструктивный блок, который носит устоявшееся названиекорзина сцепления. Корзина сцепления имеет жесткое болтовое соединение с маховиком. По характеру работы различают два типа корзин сцепления - нажимного и вытяжного действия. В распространенной корзине сцепления нажимного действия лепестки диафрагменной пружины при выключении сцепления перемещаются к маховику. В вытяжной корзине сцепления наоборот - лепестки диафрагменной пружины перемещаются от маховика. Данный тип корзины сцепления характеризуется минимальной толщиной, поэтому применяется в стесненных условиях.

Ведомый диск располагается между маховиком и нажимным диском. Ступица ведомого диска соединяется шлицами с первичным валом коробки передач и может перемещаться по ним. Для обеспечения плавности включения сцепления в ступице ведомого диска размещены демпферные пружины, выполняющие роль гасителя крутильных колебаний.

На ведомом диске с двух сторон установлены фрикционные накладки. Накладки изготавливаются из стеклянных волокон, медной и латунной проволоки, которые запрессованы в смесь из смолы и каучука. Такой состав может кратковременно выдерживать температуру до 400°С. Накладки ведомого диска могут иметь и более высокую тепловую характеристику. На спортивных автомобилях устанавливают т.н. керамическое сцепление, накладки ведомого диска которого состоят из керамики, кевлара и углеродного волокна. Еще более прочные металлокерамические накладки, выдерживающие температуру до 600°С.

Подшипник выключения сцепления (обиходное название -выжимной подшипник) является передаточным устройством между сцеплением и приводом. Он располагается на оси вращения сцепления и непосредственно воздействует на лепестки диафрагменной пружины. Подшипник располагается на муфте выключения. Перемещение муфты с подшипником обеспечиваетвилка сцепления.

Схема двухдискового сцепления

На грузовых и легковых автомобилях с мощным двигателем применяетсядвухдисковое сцепление. Двухдисковое сцепление осуществляет передачу большего крутящего момента при неизменном размере, а также обеспечивает больший ресурс конструкции. Это достигнуто за счет применения двух ведомых дисков, между которыми установлена проставка. В результате получены четыре поверхности трения.

Принцип работы сцепления

Однодисковое сухое сцепление постоянно включено. Работу сцепления обеспечивает привод сцепления.

При нажатии на педаль сцепления привод сцепления перемещает вилку сцепления, которая воздействует на подшипник сцепления. Подшипник нажимает на лепестки диафрагменной пружины нажимного диска. Лепестки диафрагменной пружины прогибаются в сторону маховика, а наружный край пружина отходит от нажимного диска, освобождая его. При этом тангенциальные пружины отжимают нажимной диск. Передача крутящего момента от двигателя к коробке передач прекращается.

При отпускании педали сцепления диафрагменная пружина приводит нажимной диск в контакт с ведомым диском и через него в контакт с маховиком. Крутящий момент за счет сил трения передается от двигателя к коробке передач.

Привод сцепления

 

Привод сцепления предназначен для обеспечения выключения сцепления, а именно отжимания диафрагменной пружины. На современных автомобилях применяются приводы сцепления следующих видов:

  1.  механический привод;
  2.  гидравлический привод;
  3.  электрогидравлический привод.

Наибольшее применение в автомобиле нашли механический и гидравлический приводы сцепления. Электрогидравлический привод используется для автоматизации управления сцеплением вроботизированной коробке передач, например, в коробке передач Easytronic.

Механический привод сцепления

Механический привод используется в качестве привода сцепления небольших легковых автомобилей. Данный вид привода отличает простота конструкции и невысокая стоимость.

 

Механический привод сцепления имеет следующее устройство:

  1.  педаль сцепления;
  2.  трос привода сцепления;
  3.  механизм регулирования свободного хода педали сцепления;
  4.  рычажная передача.

Схема механического привода сцепления

Основным конструктивным элементом механического привода сцепления является трос, который соединяет педаль сцепления с вилкой выключения. Трос заключен в оболочку. При нажатии на педаль сцепления усилие через трос передается на рычажную передачу, которая в свою очередь перемещает вилку сцепления и обеспечивает выключение сцепления.

В системе предусмотрен механизм регулирования свободного хода педали сцепления, включающий регулировочную гайку на конце троса. Необходимость регулировки обусловлена постепенным изменением положения педали сцепления вследствие износа фрикционных накладок.

Гидравлический привод сцепления

Гидравлический привод сцепления по конструкции аналогичен гидравлическому приводу тормозной системы. В нем используется свойство несжимаемости жидкости. В качестве рабочей жидкости применяется тормозная жидкость.

 

Гидравлический привод сцепления имеет следующее устройство:

  1.  педаль сцепления;
  2.  главный цилиндр привода сцепления;
  3.  бачек рабочей жидкости;
  4.  рабочий цилиндр привода сцепления;
  5.  соединительные трубопроводы.

Схема гидравлического привода сцепления

Конструктивно главный и рабочий цилиндры состоят из поршня с толкателем, размещенных в корпусе. При нажатии на педаль сцепления толкатель перемещает поршень главного цилиндра, происходит отсечка рабочей жидкости от бачка. При дальнейшем движении поршня рабочая жидкость по трубопроводу поступает в рабочий цилиндр. Под воздействием жидкости происходит движение поршня с толкателем. Толкатель воздействует на вилку сцепления и обеспечивает выключение сцепления.

Для удаления воздуха из системы гидропривода сцепления (прокачки системы) на главном и рабочем цилиндрах установлены специальные клапаны (штуцеры).

Для облегчения управления на некоторых моделях автомобилей используются пневматический или вакуумный усилитель привода сцепления.

Двойное сцепление

 

Большинство современных роботизированных коробок передач оборудованы двойным сцеплением. Данное устройство, помимо традиционных функций сцепления, обеспечивает предварительный выбор очередной передачи при включенной другой передаче за счет поочередной работы двух фрикционных муфт. При этом крутящий момент от двигателя на ведущие колеса передается непрерывно.

В роботизированной коробке передач с двойным сцеплением для четных и нечетных передач используется отдельное сцепление. По своей сути это две отдельные коробки передач, находящиеся в одном корпусе и работающие как единое целое.

Применение двойного сцепления в конструкции коробок передач началось с 1980 года благодаря разработкам Porsche и Audi для своих спортивных автомобилей. В настоящее время двойное сцепление используется в следующих конструкциях коробок передач:

  1.  DSG от Volkswagen;
  2.  M DCT от BMW;
  3.  Powershift от Ford;
  4.  Speedshift от Mercedes-Benz;
  5.  S-Tronic от Audi;
  6.  Twin Clutch SST от Mitsubishi;
  7.  7DT от Porsche.

Ввиду высокой технической сложности производителей двойного сцепления не так много, в том числе:

  1.  BorgWarner («мокрое» сцепление для Volkswagen);
  2.  Getrag (коробки передач с двойным сцеплением для BMW, Chrysler, Dodge, Ferrari, Ford, Mercedes-Benz, Mitsubishi, Renault, Volvo);
  3.  Luk («сухое» сцепление для Volkswagen);
  4.  Ricardo (коробка передач для Bugatti Veyron);
  5.  ZF (коробка передач для Porsche).

Ряд автомобильных компаний в конструкции своих коробок используют компоненты разных производителей, например, в M DCT от BMW используется коробка передач от Getrag, а двойное сцепление от BorgWarner.

Различают два типа двойного сцепления:

  1.  «сухое» (фрикционные диски в воздухе);
  2.  «мокрое» (фрикционные диски в масле).

«Мокрое» сцепление имеет лучшее охлаждение, поэтому может применяться для передачи большего крутящего момента (до 350 нм и более). Например, «мокрое» сцепление в коробке передач Bugatti Veyron обеспечивает передачу крутящего момента 1250 нм. Предел «сухого» сцепления – 250 нм. Вместе с тем, «сухое» сцепление более эффективно в эксплуатации, т.к. в нем отсутствуют потери мощности двигателя на привод масляного насоса.

Схема двойного сцепления

Конструктивно двойное сцепление объединяет два пакета фрикционных дисков, размещенных в корпусе. Часть дисков обоих пакетов жестко соединено с корпусом сцепления. Корпус, в свою очередь, через ступицы соединен с двигателем. Другая часть дисков закреплена на своих ступицах, которые посажены на первичные валы соответствующих рядов передач.

Нормальное положение сцепления – разомкнутое. Замыкание сцепления (сжатие пакетов дисков) производится с помощью гидроцилиндров под управлением электрогидравлического модуля. В исходное положение диски возвращаются с помощью пружин.

В зависимости от конструкции сцепления пакеты фрикционных дисков могут иметь:

  1.  концентрическое расположение (муфты расположены в одной плоскости, перпендикулярно первичному валу);
  2.  параллельное расположение (муфты расположены друг за другом параллельно).

Концентрическое расположение муфт более компактное, поэтому применяется в трансмиссии переднеприводных автомобилей (поперечное расположение двигателя). При концентрическом расположении внешняя муфта обслуживает нечетные передачи, внутренняя – четные передачи. В силу своей конструкции (большая площадь дисков) внешняя муфта рассчитана на передачу большего крутящего момента. Двойное сцепление с параллельным расположением дисков применяется, в основном, на заднеприводных автомобилях.

Саморегулирующееся сцепление

 

Эксплуатация сцепления сопровождается износом накладок ведомого диска, вследствие чего нажимной диск смещается в направлении маховика, а «лепестки» диафрагменной пружины – в противоположную сторону. Все это приводит к увеличению выжимного усилия, усилия на педали сцепления и изменению ее положения.

В 1995 году компания Luk предложила систему автоматической компенсации износа накладок ведомого диска, которая получила название саморегулирующееся сцепление (Self-Adjusting Clutch, SAC). В настоящее время разработаны и активно используются различные конструкции саморегулирующегося сцепления:

  1.  сцепление SAC от Luk;
  2.  сцепление XTend от ZF Sachs;
  3.  сцепление SAT от Valeo.

Все конструкции обладают в основном схожими функциями. Помимо компенсации износа, саморегулирующееся сцепление обеспечивает снижение и постоянство выжимного усилия. Все это значительно повышает срок службы сцепления и позволяет использовать его в трансмиссиях различных автомобилей, в т.ч. с мощными двигателями. Саморегулирующееся сцепление используется в ряде конструкций роботизированной коробкой передач, например, в коробке передач Easytronic.

Схема саморегулирующегося сцепления SAC

Саморегулирующееся сцепление SAC включает диафрагменную пружину, которая опирается на сенсорную диафрагменную пружину. Сенсорная пружина по окружности имеет множество коротких «лепестков». Над диафрагменной пружиной располагается регулировочное кольцо, которое имеет двенадцать клиньев и закреплено в корпусе с помощью трех пружин.

В отличие от диафрагменной пружины сенсорная пружина имеет постоянную силовую характеристику, величина которой соответствует усилию срабатывания нового сцепления (с целыми накладками ведомого диска). По мере износа накладок, нажимное усилие на сенсорную диафрагменную пружину увеличивается, ее «лепестки» прогибаются. Регулировочное кольцо под действием пружин проворачивается и за счет клиньев компенсирует возникающий зазор.

Схема саморегулирующегося сцепления XTend

Механизм компенсации износасаморегулирующегося сцепления XTend имеет иную конструкцию. Он расположен между диафрагменной пружиной и нажимным диском и включает два установочных кольца, пружинную защелку и ограничитель на корпусе сцепления. Кольца установлены друг на друга и соединены с корпусом пружиной натяжения. По окружности колец выполнено несколько клиновидных ползунов, которые закреплены пружиной растяжения.

Ограничитель на корпусе сцепления фиксирует износ накладок ведомого диска. Пружинная защелка перемещается над кольцами на величину износа до ограничителя. Верхнее установочное кольцо за счет пружины растяжения перемещается по клиновидному ползуну. Пружинная защелка фиксируется в приподнятом положении. При выключении сцепления нижнее установочное кольцо за счет пружины натяжения проворачивается и фиксирует верхнее кольцо. Таким образом, компенсируется величина износа, а диафрагменная пружина остается в неизменном положении.

Саморегулирующееся сцепление SAT (Self-Adjusting Technology) обеспечивает автоматическую компенсацию износа накладок ведомого диска с помощью уникального храпового механизма. Между диафрагменной пружиной и нажимным диском располагается опорное кольцо конической формы. При возникновении износа кольцо проворачивается по конической поверхности. На кольце закреплен зубчатый сектор, который вращает червяк. На одной оси с червяком расположено храповое колесо. Фиксацию колеса осуществляет собачка, за счет чего фиксируется положение опорного кольца и соответственно компенсируется износ накладок.

Электронное сцепление

 

Механическая коробка передач является самым распространенным видом трансмиссии легкового автомобиля в Европе, поэтому постоянно проводятся работы по ее совершенствованию. Одной из таких разработок является электронное сцепление. Впервые физическая (трос, гидравлика) связь между педалью и приводом сцепления разорвана и заменена электронной системой.

Electronic Clutch System (eCS) является перспективной разработкой компании Bosch. Как заявляет производитель, электронное сцепление вплотную приближает механическую коробку передач к коробке-автомату. В отличие отроботизированной коробки передач в системе eClutchавтоматизирован только привод сцепления. Данное нововведение существенно упрощает процесс управления механической коробкой передач, позволяет экономить топливо. Кроме того электронное сцепление открывает новые возможности по использованию механической коробки передач на гибридных автомобилях.

К большому сожалению информации о конструкции системы eClutch пока немного. Как всякая электронная система управления электронное сцепление объединяет входные устройства, электронный блок управления и исполнительный механизм. К входным устройствам относятся блок педали сцепления и ряд входных датчиков. Производитель сообщает только о двух датчиках: датчике положения педали газа и датчике положения рычага коробки передач. На самом деле датчиков должно быть больше.

Система электронного сцепления имеет собственный блок управления, который принимает и обрабатывает сигналы входных устройств, управляет исполнительным механизмом. В своей работе блок управления взаимодействует ссистемой управления двигателем. Исполнительный механизм представленэлектрогидравлическим актуатором (приводом), осуществляющим по команде блока управления перемещение вилки сцепления.

С помощью системы электронного сцепления реализовано несколько функций:

  1.  движение в режиме частых троганий и остановок;
  2.  плавное переключение передач;
  3.  управляемое движение накатом;
  4.  расширение возможностей системы Стоп-старт.

Самой важной функцией является движение в режиме частых троганий и остановок. Данный режим характерен для городских «пробок» и позволяет автомобилю двигаться на первой передаче без использования педали сцепления. При снятии ноги с педали газа система автоматически размыкает сцепление. При дальнейшем торможении двигатель не глохнет, т.к. отсоединен от трансмиссии. Трогание с места происходит при освобождении педали тормоза. Все как в автоматической коробке передач, только на первой передаче.

Электронное сцепление обеспечивает плавное переключение (синхронизацию) всех передач. Специальный датчик определяет момент перехода с одной передачи на другую. На основании сигнала датчика электронное сцепление при помощи системы управления двигателем увеличивает или уменьшает обороты двигателя, чем достигается плавное переключение передач.

Две оставшиеся функции электронного сцепления направлены на экономию топлива, которая по заявлению производителя может достигать 10 процентов. Функция движения накатом позволяет исключить торможение двигателем и использовать в полной мере движение автомобиля по инерции, т.н. регулируемый выбег. Данная функция особенно актуальна при движении под уклон. В техническом плане все просто - при снятии ноги с педали газа система eClutch выключает сцепление и автомобиль движется накатом.

На автомобилях, оборудованных системой Стоп-старт, электронное сцепление позволяет добиться дополнительной экономии топлива. Теперь при снятии ноги с педали газа на первой передаче происходит не только отсоединение двигателя от трансмиссии, а еще и его выключение. К своей полной остановке автомобиль приходит уже с выключенным двигателем. Тем самым увеличивается нерабочее время двигателя, а значит, экономится топливо.

Коробка передач

 

Коробка передач является важным конструктивным элементом трансмиссии автомобиля. Коробка передач предназначена для изменения крутящего момента, скорости и направления движения автомобиля, а также длительного разъединения двигателя от трансмиссии.

В зависимости от принципа действия различают следующие типы коробок передач:

  1.  ступенчатые;
  2.  бесступенчатые;
  3.  комбинированные.

Тип коробки передач во многом определяет тип трансмиссии автомобиля.

В ступенчатых коробках передач крутящий момент изменяется ступенчато. К ним относятся:

  1.  механическая коробка переключения передач;
  2.  роботизированная коробка передач .

Механическая коробка передач (сокращенное наименование – МКПП, обиходное название - механика) представляет собой многоступенчатый цилиндрический редуктор, в котором предусмотрено ручное переключение передач. В зависимости от числа ступеней различают четырехступенчатую, пятиступенчатую, шестиступенчатую, семиступенчатую и более коробки передач.

Основными преимуществами механической коробки передач являются простота конструкции, надежность, возможность ручного управления во всех режимах движения. Благодаря этим качествам МКПП является самым распространенным типом коробки передач. Вместе с тем, все больше потребителей в последние годы выбирают коробки с автоматическим управлением.

Роботизированная коробка передач (другое наименование – автоматизированная коробка передач, обиходное название - робот) представляет собой механическую коробку передач, в которой автоматизированы функции выключения сцепления и переключения передач. Современные роботы имеют двойное сцепление, которое обеспечивает передачу крутящего момента без разрыва потока мощности.

Применение роботизированной коробки передач с двойным сцеплением обеспечивает снижение расхода топлива, высокую разгонную динамику. Благодаря данным качествам, популярность роботов стремительно растет. В настоящее время преселективные коробки передач устанавливаются как на бюджетные автомобили (Volkswagen, Ford), так и автомобили премиум класса (Bentley, Porsche). Известными конструкциями роботизированных коробок передач являются коробки передач DSG (Direct Shift Gearbox), SMG (Sequential M Gearbox), Изитроник.

К бесступенчатым коробкам передач относится вариатор (обиходное название вариаторная коробка передач). В отличие от ступенчатых коробок, передаточное число в вариаторах изменяется плавно. Это достигается за счет гидравлического или механического преобразования крутящего момента.

Благодаря своей конструкции вариатор обеспечивает оптимальные динамические характеристики автомобиля. С другой стороны вариаторная коробка передач имеет ограничения по величине передающего крутящего момента. Отдельные конструкции имеют нарекания в плане надежности и ресурса. Вариаторы используют, в сновном японские автомобильные компании (Nissan, Honda, Subaru), из европейских - Audi. Известными конструкциями вариаторов являются Мультитроник, Экстроид.

Комбинированный принцип действия используется в автоматической коробке переключения передач (сокращенное наименование – АКПП, обиходное название – коробка-автомат). Классическаяавтоматическая коробка передачвключает гидротрансформатор (заменяющий сцепление и обеспечивающий безступенчатое регулирование крутящего момента) и механическую коробку передач (обычно планетарный редуктор). Современные автоматы имеют семь (7G-Tronic) и даже восемь ступеней передач.

Коробка-автомат обеспечивает плавное переключение передач и высокую надежность работы. При этом АКПП имеет повышенный расход топлива и низкую разгонную динамику. В ряде конструкций автоматической коробки передач предусмотрена имитация ручного переключения передач Типтроник, Стептроник.

В настоящее время термином "автоматическая коробка передач" обозначаются не только классическая гидротрансформаторная коробка, а также роботизированная коробка передач и вариатор. Все они имеют электронное управление.

Разновидностью автоматической коробки передач является т.н.адаптивная коробка передач, учитывающая стиль вождения конкретного человека.

Механическая коробка передач

 

Механическая коробка передач (сокращенное название МКПП) пока остается самым распространенным устройством, изменяющим крутящий момент двигателя. Свое название коробка получила от механического (ручного) способа переключения передач.

Механическая коробка передач относится к ступенчатым коробкам, т.е. крутящий момент в ней изменяются ступенями. Ступенью(или передачей) называется пара взаимодействующих шестерен. Каждая из ступеней обеспечивает вращение с определенной угловой скоростью или, другими словами, имеет свое передаточное число.

Передаточным числом называется отношение числа зубьев ведомой шестерни к числу зубьев ведущей шестерни. Разные ступени коробки передач имеют разные передаточные числа. Низшая ступень имеет наибольшее передаточное число, высшая ступень – наименьшее.

В зависимости от числа ступеней различают следующие конструкции:

  1.  четырехступенчатая коробка передач;
  2.  пятиступенчатая коробка передач;
  3.  шестиступенчатая коробка передач;
  4.  и выше.

Наибольшее распространение на современных автомобилях получилапятиступенчатая коробка передач.

Из всего многообразия конструкций МКПП можно выделить коробки двух основных видов:

  1.  трехвальная коробка передач;
  2.  двухвальная коробка передач.

Трехвальная коробка передач устанавливается, как правило, на заднеприводные автомобили. Двухвальная механическая коробка передач применяется на переднеприводных легковых автомобилях. Устройство и принцип работы данных коробок передач имеют существенные различия, поэтому они рассмотрены отдельно.

Устройство трехвальной механической коробка передач

Трехвальная коробка передач имеет следующее устройство:

  1.  ведущий (первичный) вал;
  2.  шестерня ведущего вала;
  3.  промежуточный вал;
  4.  блок шестерен промежуточного вала;
  5.  ведомый (вторичный) вал;
  6.  блок шестерен ведомого вала;
  7.  синхронизаторы;
  8.  механизм переключения передач;
  9.  картер (корпус) коробки передач.

Схема трехвальной механической коробки передач

Ведущий вал обеспечивает соединение со сцеплением. На валу имеются шлицы для ведомого диска сцепления. Крутящий момент от ведущего вала передается через соответствующую шестерню, находящуюся с ним в жестком зацеплении.

Промежуточный вал расположен параллельно первичному валу. На валу располагается блок шестерен, находящийся с ним в жестком зацеплении.

Ведомый вал расположен на одной оси с ведущим. Технически это осуществляется за счет торцевого подшипника на ведущем валу, в который входит ведомый вал. Блок шестерен ведомого вала не имеет закрепления с валом и поэтому свободно вращается на нем. Блок шестерен промежуточного и ведомого вала, а также шестерня ведущего вала находятся в постоянном зацеплении.

Между шестернями ведомого вала располагаются синронизаторы(другое название - муфты синхронизаторов). Работа синхронизаторов основана на выравнивании (синхронизации) угловых скоростей шестерен ведомого вала с угловой скоростью самого вала за счет сил трения. Синхронизаторы имеют жесткое зацепление с ведомым валом и могут двигаться по нему в продольном направлении за счет шлицевого соединения. На современных коробках передач синхронизаторы устанавливаются на всех передачах.

Механизм переключения трехвальной коробки передач обычно располагается непосредственно на корпусе коробки. Конструктивно он состоит из рычага управления и ползунов с вилками. Для предотвращения одновременного включения двух передач механизм оснащен блокирующим устройством. Механизм переключения передач может также иметь дистанционное управление.

Картер коробки передач служит для размещения конструктивных частей и механизмов, а также для хранения масла. Картер изготавливается из алюминиевого или магниевого сплава.

Принцип работы трехвальной механической коробки передач

При нейтральном положении рычага управления крутящий момент от двигателя на ведущие колеса не передается. При перемещении рычага управления, соответствующая вилка перемещает муфту синхронизатора. Муфта обеспечивает синхронизацию угловых скоростей соответствующей шестерни и ведомого вала. После этого, зубчаты венец муфты заходит в зацепление с зубчатым венцом шестерни и обеспечивается блокировка шестерни на ведомом валу. Коробка передач осуществляет передачу крутящего момента от двигателя на ведущие колеса с заданным передаточным числом.

Движение задним ходом обеспечивается соответствующей передачей коробки. Изменение направления вращения осуществляется за счет промежуточной шестерни заднего хода, устанавливаемой на отдельной оси.

Устройство двухвальной механической коробки передач

Двухвальная коробка передач имеет следующее устройство:

  1.  ведущий (первичный) вал;
  2.  блок шестерен ведущего вала;
  3.  ведомый (вторичный) вал;
  4.  блок шестерен ведомого вала;
  5.  муфты синхронизаторов;
  6.  главная передача;
  7.  дифференциал;
  8.  механизм переключения передач;
  9.  картер коробки передач.

Схема двухвальной механической коробки передач

Ведущий вал, также как и в трехвальной коробке, обеспечивает соединение со сцеплением. На валу жестко закреплен блок шестерен.

Параллельно ведущему валу расположен ведомый вал с блоком шестерен. Шестерни ведомого вала находятся в постоянном зацеплении с шестернями ведущего вала и свободно вращаются на валу. На ведомом валу жестко закреплена ведущая шестерня главной передачи. Между шестернями ведомого вала установлены муфты синхронизаторов.

С целью уменьшения линейных размеров, увеличения числа ступеней в ряде конструкций коробок передач вместо одного ведомого вала устанавливаются два и даже три ведомых вала. На каждом из валов жестко закреплена шестерня главной передачи, которая находится в зацеплении с одной ведомой шестерней - по сути три главных передачи.

Главная передача и дифференциал передают крутящий момент от вторичного вала коробки к ведущим колесам автомобиля. Дифференциал при необходимости обеспечивает вращение колес с разной угловой скоростью.

Механизм переключения передач двухвальной коробки, как правило, дистанционного действия, т.е. расположен отдельно от корпуса коробки. Связь между коробкой и механизмом может осуществляться с помощью тяг или тросов. Наиболее простым является тросовое соединение, поэтому оно чаще используется в механизмах переключения.

Механизм переключения передач двухвальной коробки имеет следующее устройство:

  1.  рычаг управления;
  2.  трос выбора передач;
  3.  рычаг выбора передач;
  4.  трос включения передач;
  5.  рычаг включения передач;
  6.  центральный шток переключения передач с вилками;
  7.  блокирующее устройство.

Под выбором передачи понимается поперечное движение рычага управления относительно оси автомобиля (движение к паре передач), под включением передачи – продольное движение рычага (движение к конкретной передаче).

Принцип работы двухвальной механической коробки передач

Принцип работы аналогичен трехвальной коробке. Основное отличие заключается в особенностях работы механизма переключения передач.

Движение рычага управления при включении конкретной передачи разделяется на поперечное и продольное. При поперечном движении рычага управления усилие передается на трос выбора передач. Тот, в свою очередь, воздействует на рычаг выбора передач. Рычаг осуществляет поворот центрального штока вокруг оси и, тем самым, обеспечивает выбор передач.

При дальнейшем продольном движении рычага усилие передается на трос переключения передач и далее на рычаг переключения передач. Рычаг производит горизонтальное перемещение штока с вилками. Соответствующая вилка на штоке перемещает муфту синхронизатора и осуществляет блокирование шестерни ведомого вала. Крутящий момент от двигателя передается на ведущие колеса.

Синхронизатор коробки передач

 

Все современные механические коробки передач, а такжероботизированные коробки передач являются синхронизированными. В таких коробках для того, чтобы включить передачу, производится выравнивание частоты вращения вала и шестерни. Синхронизацию обеспечивает одноименное устройство – синхронизатор. Помимо плавного переключения передач синхронизатор снижает износ механического соединения, шум при переключении и, тем самым, увеличивает срок службы коробки передач.

Синхронизаторами оборудуются все передачи коробки передач легкового автомобиля, в том числе передача заднего хода. Принцип действия синхронизатора основан на использовании сил трения при выравнивании скоростей. Чем выше разница в частотах вращения вала и шестерни, тем больше должна быть величина силы трения для их синхронизации. Выполнение данного условия достигается путем увеличения площади поверхности соприкосновения – установкой дополнительных фрикционных колец.

Устройство синхронизатора

Синхронизатор коробки передач имеет следующее общее устройство:

  1.  ступица с сухарями;
  2.  муфта включения;
  3.  блокирующее кольцо;
  4.  шестерня с фрикционным конусом.

В конструкции коробки передач один синхронизатор обслуживает две передачи (шестерни).

Схема синхронизатора

Конструктивной основой синхронизатора является ступица. Она имеет внутренние и наружные шлицы. С помощью внутренних шлицев ступица соединяется с вторичным валом коробки передач и имеет возможность осевого перемещения по нему в разные стороны. Наружные шлицы соединяют ступицу с муфтой включения.

По окружности ступицы под углом 120° выполнены три паза, в которые установлены подпружиненные сухари. В синхронизаторе сухари нажимают на блокирующее кольцо при включении передачи и способствуют блокировке муфты на этапе синхронизации.

Муфта включения (другое название – муфта синхронизатора) обеспечивает жесткое соединение вала и шестерни. Муфта насажена на ступицу и имеет внутренние шлицы. На шлицах выполнена кольцевая проточка, в которой размещаются выступы сухарей. Снаружи муфта синхронизатора соединяется с вилкой коробки передач.

Блокирующее кольцо обеспечивает синхронизацию и препятствует замыканию муфты до момента выравнивания скоростей вала и шестерни. С внутренней стороны блокирующее кольцо имеет коническую поверхность, которая взаимодействует с фрикционным конусом шестерни. Снаружи блокирующее кольцо имеет шлицы, с помощью которых производится блокировка муфты включения.

На торцевой поверхности блокирующего кольца со стороны ступицы выполнено три паза, в которые входят сухари ступицы. Пазы препятствуют прокручиванию кольца при соприкосновении с фрикционным конусом (в них упираются сухари). Размер пазов в 1,5 раза превышает размер сухарей. В некоторых конструкциях синхронизаторов, наоборот, на блокирующем кольце выполнены выступы, а пазы - в ступице.

Для увеличения поверхности соприкосновения, снижения усилия при переключении передач применяются многоконусные синхронизаторы: двухконусный, трехконусный. Например, в трехконусном синхронизаторе помимо блокирующего (наружного) кольца устанавливается еще внутреннее и промежуточное кольца. Для предотвращения проворачивания на кольцах выполнены выступы, которые фиксируются в пазах шестерни и блокирующего кольца.

Таким образом, в трехконусном синхронизаторе созданы три поверхности трения: между конусом шестерни и внутренним кольцом, между внутренним и промежуточным кольцом, между промежуточным и блокирующим кольцом. В зависимости от конструкции в одной коробке передач могут устанавливаться синхронизаторы с различным числом конусов.

Работа синхронизатора

Схема работы синхронизатора

В нейтральном положении рычага коробки передач муфты синхронизаторов находятся в среднем положении, шестерни на ведомом валу вращаются свободно, поток мощности не передается.

При включении передачи вилка перемещает муфту синхронизатора из среднего положения в направлении шестерни. Вместе с муфтой сдвигаются сухари, которые воздействуют на блокирующее кольцо. Кольцо прижимается к конусу шестерни. На поверхности возникает сила трения, которая поворачивает кольцо до упора сухарей в пазах кольца (кольцо стопорится от проворачивания). В этом положении блокирующее кольцо препятствует дальнейшему продвижению муфты синхронизатора по оси вала, так как торцы шлицев блокирующего кольца располагаются напротив торцов шлицев муфты.

Далее под действием сил трения происходит синхронизация скоростей шестерни и ведомого вала. Когда скорости выравнены, под нажимом шлицев муфты блокирующее кольцо поворачивается в противоположную сторону, блокировка муфты снимается, шлицы муфты свободно проходят для зацепления с венцом шестерни. Происходит жесткое соединение вторичного вала коробки передач и шестерни.

Несмотря на множество операций, весь процесс синхронизации и включения передачи занимает доли секунды.

Автоматическая коробка передач

 

Автоматическая коробка передач (сокращенное название АКПП, обиходное название – коробка-автомат) является самым распространенным устройством изменения крутящего момента, применяемым в автоматической трансмиссии автомобиля. Традиционно автоматической называют гидромеханическую коробку передач.

Автоматическая коробка передач имеет следующее устройство:

  1.  гидротрансформатор;
  2.  механическая коробка передач;
  3.  насос рабочей жидкости;
  4.  система охлаждения рабочей жидкости;
  5.  система управления.

На коробках-автоматах, устанавливаемых на переднеприводные легковые автомобили, в конструкцию включены главная передача идифференциал.

Гидротрансформатор предназначен для передачи и изменения крутящего момента от двигателя к механической коробке передач, а также уменьшения вибраций. Конструкция гидротрансформатора включает:

  1.  насосное колесо;
  2.  турбинное колесо;
  3.  реакторное колесо;
  4.  блокировочная муфта;
  5.  муфта свободного хода;
  6.  корпус гидротрансформатора.

Насосное колесо соединено с коленчатым валом двигателя. Турбинное колесо связано с механической коробкой передач. Между насосным и турбинным колесами располагается неподвижное реакторное колесо. Все колеса гидротрансформатора оснащены лопастями определенной формы, между которыми предусмотрены каналы для прохода рабочей жидкости.

Блокировочная муфта служит для блокировки гидротрансформатора в определенных режимах работы автомобиля.Муфта свободного хода (другое название - обгонная муфта) обеспечивает вращение жестко закрепленного реакторного колеса в противоположную сторону.

Все конструктивные элементы гидротрансформатора расположены в корпусе, который заполнен специальной рабочей жидкостью ATF (Automatic Transmissions Fluid).

Работа гидротрансформатора осуществляется по замкнутому циклу. От насосного колеса поток жидкости передается на турбинное колесо, далее на реакторное колесо. За счет конструкции лопастей реактора скорость потока усиливается. Поток направляется на насосное колесо и заставляет его вращаться быстрее, тем самым увеличивается величина крутящего момента. Максимальную величину крутящего момента гидротрансформатор развивает на минимальной скорости.

С увеличением частоты вращения коленчатого вала двигателя, угловые скорости насосного и турбинного колес выравниваются, а поток жидкости меняет свое направление. При этом срабатывает муфта свободного хода и реакторное колесо начинает вращаться. Гидротрансформатор работает в режиме гидромуфты (передает только крутящий момент).

C дальнейшим ростом скорости происходит блокировка гидротрансформатора, при которой замыкается блокирующая муфта, и передача крутящего момента от двигателя к механической коробке передач происходит напрямую. Гидротрансформатор блокируется практически на всех передачах.

В современных автоматических коробках режим с проскальзывающей муфтой блокировки гидротрансформатора, который предшествует полной блокировке. Режим реализуется при определенных условиях (скорость, нагрузка) во время разгона автомобиля и позволяет снизить расход топлива, обеспечить комфорт при переключении передач.

Механическая коробка передач в составе АКПП служит для ступенчатого изменения крутящего момента, а также обеспечивает движение автомобиля задним ходом. На автоматических коробках, как правило, применяются планетарные редукторы, отличающиеся компактностью и возможностью соосной работы. Механическая коробка передач состоит из нескольких (обычно двух) планетарных редукторов, соединенных последовательно для совместной работы. Объединение планетарных редукторов позволяет обеспечить необходимое число ступеней работы. Современные автоматические коробки выполняются шестиступенчатыми, семиступенчатыми, восьмиступенчатыми (Audi, Bentley, BMW, Chrysler, Jaguar, Lexus) и даже девятиступенчатыми (Mercedes, Land Rover).

Планетарный редуктор в коробке передач имеет названиепланетарный ряд. Планетарный ряд имеет следующее устройство:

  1.  солнечная шестерня;
  2.  сателлиты;
  3.  коронная шестерня;
  4.  водило.

Схема автоматической коробки передач

Изменение крутящего момента и передача вращения производится при условии блокировки одного или двух элементов планетарного ряда (солнечной шестерни, коронной шестерни, водила). Блокировка коронной шестерни планетарного ряда приводит к увеличению передаточного отношения. Неподвижная солнечная шестерня, наоборот, уменьшает передаточное отношение. Блокировка водило приводит к смене направления вращения.

Блокировку осуществляют соответствующие фрикционные муфты и тормоза (обходное название - фрикционы). Муфта блокирует элементы планетарного ряда между собой. Тормоз удерживает конкретные элементы редуктора за счет соединения с корпусом коробки. В различных конструкциях АКПП используются многодисковые или ленточные тормоза.

Муфты и тормоза замыкаются с помощью гидроцилиндров, которые управляются из распределительного модуля. В конструкции коробки может применяться обгонная муфта, которая удерживает водило от вращения в противоположную сторону.

Таким образом, механизмами переключения передач в автоматической коробке являются фрикционные муфты и тормоза. Работа АКПП заключается в выполнении определенного алгоритма включения и выключения муфт и тормозов.

Циркуляцию рабочей жидкости в автоматической коробке передач осуществляет шестеренный насос с внутренним зацеплением шестерен или лопастной насос. Насос приводится в действие от ступицы гидротрансформатора. Насос составляет основу гидравлической системы коробки передач, в которую кроме него входит гидравлический блок, гидроцилиндры привода муфт и тормозов, трубопроводы.

Охлаждение рабочей жидкости в АКПП производит соответствующая система. Рабочая жидкость может охлаждаться в охладителе (теплообменнике), включенном в систему охлаждения двигателя. Ряд конструкций коробок имеет отдельный радиатор рабочей жидкости.

На современных автоматических коробках передач применяетсяэлектронная система управления, которая включает следующие конструктивные элементы:

  1.  входные датчики;
  2.  электронный блок управления коробкой передач;
  3.  распределительный модуль;
  4.  рычаг селектора.

В системе применяются следующие датчики:

  1.  частоты вращения на входе коробки передач;
  2.  частоты вращения на выходе коробки передач;
  3.  температуры рабочей жидкости;
  4.  положения рычага селектора;
  5.  положения педали газа.

Электронный блок управления коробкой передач обрабатывает сигналы датчиков и формирует управляющие сигналы на исполнительные устройства распределительного модуля. В своей работе электронный блок реализует т.н. программу «нечеткой логики» (fuzzy logic), предусматривающую гибкий алгоритм определения точек перехода на высшую или низшую передачу. Блок управления коробкой передач взаимодействуют с блоком управления двигателем, входящим в систему управления двигателем.

Распределительный модуль (другое наименование - гидравлический блок) управляет потоками рабочей жидкости и обеспечивает срабатывание фрикционных муфт и тормозов. Он состоит из электромагнитных клапанов и золотников-распределителей с механическим приводом, соединенных каналами и помещенных в алюминиевый корпус.

Электромагнитные клапаны (не очень корректное обиходное название - соленоиды) используются для управления переключением передач (двухпозиционные клапаны) и регулирования давления жидкости (клапаны с широтно-импульсной модуляцией). Работой электромагнитных клапанов руководит электронный блок управления коробкой передач. Золотники-распределители обеспечивают выбор режимов работы и приводятся в действие от рычага селектора.

Непосредственное управление АКПП осуществляется рычагом селектора. Выбор нужного режима работы коробки производится перемещением рычага в определенное положение:

  1.  Р – режим парковки;
  2.  R – режим заднего хода;
  3.  N – нейтральный режим;
  4.  D – движение вперед в режиме автоматического переключения передач;
  5.  S – спортивный режим.

На отдельных коробках реализуется т.н. режим «кик-даун» (kick-down), предполагающий резкое ускорение автомобиля путем переключения на пониженную передачу. Необходимость ускорения определяется с помощью датчика положения педали газа.

Некоторые модели автоматических коробок оборудуются функцией ручного переключения передач, т.н. функция Типтроник (Tiptronic).

Роботизированная коробка передач

 

Роботизированная коробка передач (обиходное название –коробка-робот) представляет собой механическую коробку передач, в которой функции выключения сцепления и переключения передач автоматизированы. Название "роботизированная коробка передач" свидетельствует о том, что водитель и условия движения формируют только входную информацию для системы управления, а работой коробки передач руководит электронный блок с определенным алгоритмом управления.

Роботизированная коробка передач сочетает в себе комфорт автоматической коробки передач, надежность и топливную экономичность механической коробки передач. При этом «робот» в большинстве своем значительно дешевле классической АКПП. В настоящее время практически все ведущие автопроизводители оснащают свои автомобили роботизированными коробками передач, устанавливая их на всю линейку моделей от малого до премиум класса.

Устройство роботизированной коробки передач

Роботизированные коробки передач различаются по конструкции, вместе с тем, можно выделить следующее общее устройство роботизированной коробки передач:

  1.  сцепление;
  2.  механическая коробка передач;
  3.  привод сцепления и передач;
  4.  система управления.

В автоматизированных коробках передач используется сцепление фрикционного типа. Это может быть отдельный диск или пакет фрикционных дисков. Прогрессивным в конструкции коробки передач является т.н. двойное сцепление, которое обеспечивает передачу крутящего момента без разрыва потока мощности.

В основу конструкции роботизированной коробки положена механическая коробка передач. При производстве используются, в основном, готовые технические решения. Например, автоматизированная коробка передач Speedshift от Mercedes-Benz построена на базе АКПП 7G-Tronic путем замены гидротрансформатора на фрикционное многодисковое сцепление. В основе коробки SMG от BMW лежит шестиступенчатая «механика», оборудованная электрогидравлическим приводом сцепления.

Коробки-роботы могут иметьэлектрический или гидравлический привод сцепления и передач. В электрическом приводе исполнительными органами являются сервомеханизмы (электродвигатель и механическая передача). Гидравлический привод осуществляется с помощью гидроцилиндров, которые управляются электромагнитными клапанами. Такой вид привода еще называют электрогидравлическим. В ряде конструкций «роботов» с электрическим приводом (Easytronic от Opel, Durashift EST от Ford) используется гидромеханический блок с электродвигателем для перемещения главного цилиндра привода сцепления.

Электрический привод отличает невысокая скорость работы (время переключения передач 0,3-0,5с) и меньшее энергопотребление. Гидравлический привод предполагает постоянное поддержание давления в системе, а значит большие затраты энергии. Но с другой стороны он более быстрый. Некоторые роботизированные коробки передач с гидравлическим приводом, устанавливаемые на спортивные автомобили, имеют просто впечатляющую скорость переключения передач: Ferrari 599GTO - 0,06c, Lamboghini Aventador – 0,05c.

Эти качества определяют область применения «роботов» с электрическим приводом на бюджетных автомобилях, с гидравлическим приводом – на более дорогих автомобилях. Электрический привод имеют следующие конструкции коробок передач:

  1.  Allshift от Mitsubishi;
  2.  Dualogic от Fiat;
  3.  Durashift EST от Ford;
  4.  Easytronic от Opel;
  5.  MultiMode от Toyota;
  6.  SensoDrive от Citroen;
  7.  2-Tronic от Peugeot.

Достаточно большое количество роботизированных коробок оснащены гидравлическим приводом:

  1.  ISR (Independent Shifting Rods) от Lamborghini;
  2.  Quickshift от Renault;
  3.  R-Tronic от Audi;
  4.  Selespeed от Alfa Romeo;
  5.  SMG от BMW.

Управление роботизированной коробкой передач осуществляет электронная система, которая включает входные датчики, электронный блок управления и исполнительные механизмы.Входные датчики отслеживают основные параметры коробки передач: частоту вращения на входе и выходе, положение вилок включения передач, положение селектора, а также давление и температуру масла (для гидравлического привода) и передают их в блок управления.

На основании сигналов датчиков электронный блок управленияформирует управляющие воздействия на исполнительные механизмы в соответствии с заложенной программой. В своей работе электронный блок взаимодействует с системой управления двигателемсистемой ABS (ESP). В роботизированных коробках с гидравлическим приводом в систему управления дополнительно включен гидравлический блок управления, который обеспечивает непосредственное управление гидроцилиндрами и давлением в системе.

Исполнительными механизмами роботизированной коробки передач в зависимости от вида привода являются электродвигатели (электрический привод), электромагнитные клапаны гидроцилиндров (гидравлический привод).

Коробка передач с двойным сцеплением

Основным недостатком роботизированной коробки передач является сравнительно большое время переключения передач, что приводит к рывкам и провалам в динамике автомобиля и, соответственно, снижает комфорт от управления транспортным средством. Решение указанной проблемы было найдено в применении коробки передач с двумя сцеплениями, обеспечившей переключение передач без разрыва потока мощности.

Двойное сцепление позволяет при включенной передаче выбрать следующую передачу и при необходимости включить ее без перерыва в работе коробки. Поэтому другое название роботизированной коробки передач с двумя сцеплениями - преселективная коробка передач (от preselect - предварительно выбрать).

Другим преимуществом коробки передач с двойным сцеплением является высокая скорость переключение передач, зависящая только от скорости переключения муфт (DSG от Volkswagen - 0,2c, DCT M Drivelogic от BMW – 0,1c). «Робот» с двумя сцепления отличает еще и компактность, что актуально для малолитражных автомобилей. Наряду с этим, можно отметить повышенное энергопотребление коробки (особенно с «мокрым» сцеплением). Сравнительно высокая скорость переключения передач в совокупности с непрерывной передачей крутящего момента позволяют добиться отменной разгонной динамики автомобиля и экономии топлива.

В настоящее время двойное сцепление применяется во многих роботизированных коробках передач:

  1.  DCT M Drivelogic от BMW;
  2.  DSG от Volkswagen;
  3.  PDK от Porsche;
  4.  Powershift от Ford, Volvo;
  5.  Speedshift DCT от Mercedes-Benz;
  6.  S-Tronic от Audi;
  7.  TCT от Alfa Romeo;
  8.  Twin Clutch SST от Mitsubishi.

Даже великолепная Ferrari 458 Italia оборудованаDoppelkupplungsgetriebe (коробка передач с двойным сцеплением). Все перечисленные роботизированные коробки передач используют гидравлический привод сцепления и передач. И лишь одна коробка передач на сегодняшний день имеет электрический привод устройств, это EDC (Efficient Dual Clutch) от Renault (время переключения передач 0,29с).

Пионерами массового применения коробки передач с двумя сцеплениями являются Volkswagen и Audi, которые устанавливаютроботизированную коробку передач DSG и S-Tronic на свои автомобили с 2003 года. Коробка S-Tronic является аналогом коробки DSG, но в отличие от нее устанавливается продольно оси на задне- и полноприводные автомобили.

На автоматизированной коробке DCT M Drivelogic в системе управления реализуется функция Drivelogic, которая предполагает одиннадцать программ переключения передач. Шесть программ выполняются в режиме ручного переключения, а пять являются автоматизированными программами переключения передач. Данная функция позволяет адаптировать смену передач под стиль вождения конкретного человека. По сути, данная коробка являетсяадаптивной коробкой передач.

Принцип действия роботизированной коробки передач

Работа роботизированной коробки передач может осуществляться в двух режимах: автоматическом и полуавтоматическом. В автоматическом режимеэлектронный блок управления на основании сигналов входных датчиков реализует определенный алгоритм управления коробкой с помощью исполнительных механизмов.

На всех роботизированных коробках предусмотрен режим ручного (полуавтоматического) переключения передач, аналогичныйфункции Tiptronic АКПП. Работа в данном режиме позволяет последовательно переключать передачи с низшей на высшую и наоборот с помощью рычага селектора и (или) подрулевых переключателей. Поэтому в ряде источников информации роботизированная трансмиссия называется секвентальной коробкой передач (от sequensum – последовательность).

Роботизированная коробка передач DSG

 

Роботизированная коробка передач DSG (Direct Shift Gearbox) является в настоящее время самой совершенной автоматизированной коробкой, устанавливаемой на массовые модели легковых автомобилей.

Коробка DSG обеспечивает переключение передач без разрыва потока мощности, что значительно повышает ее потребительские качества по сравнению с другими «роботами».

Непрерывная передача крутящего момента от двигателя к ведущим колесам достигнута за счет применения двух сцеплений и соответствующих им двух рядов передач. Коробка передач DSG имеет шестиступенчатую и семиступенчатую конструкции.Семиступенчатая коробка (крутящий момент до 250 нм) устанавливается на легковые автомобили B, C и некоторые модели D класса. Шестиступенчатая коробка передач передает крутящий момент до 350 нм и устанавливается на более мощных машинах.

Коробка передач DSG имеет следующее устройство:

  1.  двойное сцепление;
  2.  первый ряд передач;
  3.  второй ряд передач;
  4.  главная передача;
  5.  дифференциал;
  6.  система управления коробкой передач;
  7.  корпус (картер) коробки.

Схема роботизированной коробки передач DSG

Двойное сцепление обеспечивает передачу крутящего момента на первый и второй ряды передач. Сцепление включает ведущий диск, соединенный через входную ступицу с маховиком, и две фрикционные многодисковые муфты, связанные через главную ступицу с рядами передач.

На шестиступенчатой коробке передач двойное сцепление «мокрого» типа, т.е. постоянно находится в масле. Семиступенчатая коробка имеет сухое сцепление, что позволяет значительно уменьшить объем заправляемого масла (с 6.5 л до 1.7 л), снизить энергозатраты и повысить топливную экономичность двигателя. С этой же целью на семиступенчатой коробке масляный насос с гидравлическим приводом заменен на более экономичный электрический насос.

Первый ряд коробки обеспечивает работу нечетных передач и заднего хода, второй ряд отвечает за четные передачи. Каждый из рядов передач представляет собой первичный и вторичный валы с блоками шестерен. Первичные валы расположены соосно, при этом первичный вал второго ряда выполнен полым и надет на первичный вал первого ряда.

Шестерни на первичных валах имеют жесткое соединение с валом. Шестерни вторичных валов вращаются свободно. При этом шестерни первичного и вторичного валов находятся в постоянном зацеплении. Между шестернями вторичного вала расположены синхронизаторы, которые осуществляют включение конкретной передачи. Для выполнения реверсивного движения в коробке передач предусмотрен промежуточный вал с шестерней заднего хода. Навторичных валах также расположены ведущие шестерни главной передачи.

Для управления сцеплением и переключения передач предназначенасистема управления коробкой передач. Система управления включает:

  1.  входные датчики;
  2.  электронный блок управления;
  3.  электрогидравлический блок управления;
  4.  исполнительные механизмы.

Электронный и электрогидравлический блоки управления, а также практически все входные датчики, объединены в единый модуль, имеющий название Mechatronic. Модуль управления располагается непосредственно в картере коробки передач.

Входные датчики отслеживают частоту вращения на входе и выходе коробки передач, давление и температуру масла, а также положение вилок включения передач. Электронный блок управления на основании сигналов датчиков реализует, заложенный в него, алгоритм управления коробкой передач.

Электрогидравлический блок управления обеспечивает работу гидравлического контура управления коробкой передач. В него входят следующие элементы:

  1.  золотники-распределители;
  2.  электромагнитные клапана;
  3.  клапана регулирования давления;
  4.  мультиплексор.

Золотники-распределители приводятся в действие рычагом селектора. Электромагнитные клапаны осуществляют переключение передач. Клапаны регулирования давленияобеспечивают работу фрикционных муфт. Электромагнитные клапаны и клапаны регулирования давления являютсяисполнительными механизмами системы управления коробкой передач.

В коробке применено устройство мультиплексор, которое позволяет управлять восьмью гидроцилиндрами переключения передач только с помощью четырех электромагнитных клапанов. В исходном положении мультиплексора работают одни гидроцилиндры, в рабочем – другие, при этом в обоих режимах общие электромагнитные клапаны.

Принцип работы коробки передач DSG заключается в последовательном включении передач обоих рядов. При этом во время работы одной передачи, следующая передача уже выбрана и готова к включению.

Коробка передач Easytronic

 

Easytronic – торговое название автоматизированной механической коробки передач, в которой педаль сцепления заменена электрогидравлическим приводом, а выбор и включение передач осуществляется с помощью электромеханического привода. Коробка передач Easytronic сочетает в себе преимущество механической коробки передач с функциями автоматической коробки. Робот Easytronic является совместной разработкой Opel и Luk, в настоящее время устанавливается на автомобили Opel Corsa.

Устройство Easytronic

Коробка передач Easytronic имеет следующее устройство:

  1.  саморегулирующееся сцепление SAC;
  2.  механическая коробка передач;
  3.  привод сцепления;
  4.  электронный блок управления;
  5.  привод выбора и включения передач;
  6.  рычаг селектора.

В конструкции коробки передач используется саморегулирующееся сцепление SAC (Self-Adjusting Clutch), которое осуществляет автоматическое регулирование степени износа, обеспечивает постоянное и невысокое выжимное усилие, чем достигается существенное увеличение срока службы сцепления. Кроме этого невысокое усилие срабатывания позволяет в приводе сцепления использовать маломощный электродвигатель.

Основу Easytronic составляет типовая пятиступенчатая механическая коробка передач, в которую добавлены приводы сцепления и передач.

Схема привода сцепления Easytronic

Привод сцепления включает электродвигатель, червячный редуктор и эксцентриковый механизм, который взаимодействует со штоком поршня главного цилиндра сцепления. Величину перемещения штока поршня главного цилиндра оценивает соответствующий датчик. Привод сцепления выполняет те же задачи, что и водитель осуществляет с педалью сцепления, а именно: дозирование усилия при трогании с места, включение/выключение при переключении передач, разъединение при остановке.

Управление коробкой передач осуществляется с помощью электронного блока, который располагается непосредственно в приводе сцепления. Электронный блок управления выполняет следующие функции:

  1.  прием входных сигналов (положение исполнительных механизмов, рычага селектора, педали газа, параметры работы автомобиля);
  2.  проверка достоверности сигналов;
  3.  определение необходимой передачи;
  4.  расчет выходных параметров;
  5.  подача сигналов на исполнительные механизмы.

В своей работе блок управления взаимодействует с системой управления двигателемантиблокировочной системой тормозов.

Механический привод выбора и включения передач состоит из двух редукторов, которые приводятся в действие от электродвигателей. Работа привода заключается в перемещении рычага, который воздействуя на вилку, осуществляет выбор и переключение конкретной передачи.

Рычаг селектора является элементом электронной системы управления коробкой передач и не имеет с ней жесткой связи. Положение рычага селектора оценивается соответствующим датчиком, который генерирует аналоговый сигнал и запускает определенный алгоритм управления коробкой передач.

Работа коробки передач Easytronic

В конструкции коробки передач Easytronic реализовано два режима работы: автоматический и полуавтоматический.

В автоматическом режиме электронный блок полностью управляет коробкой передач. Коробка передач ведет себя как автоматическая коробка, но операции переключения передач происходят с разрывом тягового усилия. Алгоритм управляющих воздействий электронного блока осуществляется в следующей последовательности:

  1.  уменьшение крутящего момента;
  2.  выключение сцепления;
  3.  выбор передачи;
  4.  синхронизация;
  5.  включение передачи;
  6.  включение сцепления;
  7.  увеличение крутящего момента.

В полуавтоматическом режиме переключение передач осуществляется водителем вручную. Передачи в этом режиме переключаются последовательно на повышение или понижение с помощью рычага селектора. Ручной режим переключения передач в коробке Easytronic носит собственное название Active Select, по сути аналогичный функции Tiptronic.

Вариатор

 

Вариатор (обиходное название – вариаторная коробка передач) является бесступенчатой коробкой передач, т.е. обеспечивает в заданном диапазоне плавное изменение передаточного числа. Вариаторная коробка передач имеет общепризнанное название (аббревиатуру) CVT – Continuously Variable Transmission (в переводе – постоянно изменяющаяся трансмиссия).

Основное преимущество вариатора по сравнению с другими коробками передач заключается в эффективном использовании мощности двигателя за счет оптимального согласования нагрузки на автомобиль с оборотами коленчатого вала, тем самым достигается высокая топливная экономичность. непрерывное изменение крутящего момента, отсутствие рывков обеспечивают высокий уровень комфорта при передвижении на автомобиле с вариатором.

Ввиду ограничений по мощности вариаторы на сегодняшний день применяются только на легковых автомобилях, правда диапазон их использования вследствие технического прогресса постоянно расширяется. Другой минус вариаторной коробки передач заключается в достаточно высокой технической и технологической сложности конструкции.

Из всего многообразия различных видов вариаторов на автомобилях нашли применение только два - клиноременный и тороидный вариаторы. Наибольшее распространение получил клиноременный вариатор. Первый клиноременный вариатор Variomaticбыл установлен на легковой автомобиль DAF в 1959 году. Его приемник вариатор Transmatic с 1984 года устанавливался на автомобили Fiat и Ford. В настоящее время клиноременный вариатор используется многими автопроизводителями. Ряд конструкций вариаторов имеют собственные названия:

  1.  Autotronic от Mercedes-Benz;
  2.  Ecotronic, Durashift CVT от Ford;
  3.  Lineartronic от Subaru;
  4.  Multidrive от Toyota;
  5.  Multimatic от Honda;
  6.  Multitronic от Audi;
  7.  Xtronic, Hyper от Nissan.

Вариаторы CVT также устанавливаются на некоторые модели автомобилей Chrysler (Dodge, Jeep), Fiat, Mini, Mitsubishi, Opel, Peugeot и др. Клиноременный вариатор удачно выписывается в трансмиссию гибридного автомобиля. Например, вариатор является элементом системы Hybrid Synergy Drive, используемой в Toyota Prius. Самым известным тороидным вариатором является вариаторExtroid, устанавливаемый на автомобили фирмы Nissan.

Устройство и работа вариатора

Вариаторная коробка передач имеет следующее общее устройство:

  1.  механизм, обеспечивающий передачу крутящего момента и разъединение коробки передач от двигателя (нейтральное положение коробки передач);
  2.  собственно вариатор (вариаторная передача);
  3.  механизм, обеспечивающий движение задним ходом;
  4.  система управления.

Для передачи крутящего момента и разъединения вариатора от двигателя использоваться следующие механизмы:

  1.  центробежное автоматическое сцепление (вариатор Transmatic);
  2.  электромагнитное сцепление с электронным управлением (вариатор Hyper );
  3.  многодисковое мокрое сцепление с электронным управлением (вариаторы Multitronic, Multimatic);
  4.  гидротрансформатор (вариаторы Autotronic, Ecotronic, Extroid, Lineartronic, Multidrive, Xtronic).

Самое популярное соединение двигателя и вариатора с помощью гидротрансформатора, который обеспечивает высокую плавность передачи крутящего момента и, соответственно, долговечность коробки передач.

Схема клиноременного вариатора

Клиноременный вариатор состоит из одной, реже двух ременных передач. Передача включает два шкива, соединенные клиновидным ремнем. Шкив образуют два конических диска, которые могут сдвигаться или раздвигаться, обеспечивая тем самым изменение диаметра шкива. Для сближения конусов используется гидравлическое давление, центробежная сила, усилие пружин. Конические диски имеют угол наклона 20°, при котором обеспечивается перемещение ремня по поверхности шкива с наименьшим сопротивлением.

Первые клиноременные вариаторы имели резиновый ремень, который отличала низкая долговечность (50000км), недостаточная гибкость (минимальный радиус изгиба 90мм) и связанный с ней узкий диапазон регулирования. Большинство современных вариаторных коробок передач используют гибкий металлический ремень, который изготавливают из нескольких (10-12) полос стали и связанных с ней фасонных частей в виде бабочки. Передача вращения осуществляется за счет сил трения между шкивами и боковой поверхностью ремня. Ремни данной конструкции имеют высокую прочность, долговечность, гибкость (минимальный радиус изгиба 30мм), низкий уровень шума. Именно металлический клиновидный ремень открыл дорогу для широкого применения вариаторов на автомобилях. Ремень изготавливается из металлических пластин конической формы.

На вариаторах Multitronic, Lineartronic вместо ремня применена металлическая цепь. Такие коробки передач имеют названиеклиноцепной вариатор. Металлическая цепь состоит из пластин соединенных осями. Такая конструкция цепи обеспечивает лучшую гибкость (радиус изгиба 25мм). В отличие от клиноременного вариатора крутящий момент передается торцевой поверхностью цепи при ее точечном контакте с коническими дисками. В местах контакта возникают высокие напряжения, которые компенсируются за счет изготовления конических дисков из высокопрочной (подшипниковой) стали. Клиноцепной вариатор имеет наименьшие потери при передаче крутящего момента и наивысший коэффициент полезного действия.

В силу особенностей конструкции вариаторная передача не может обеспечить реверсивного движения. Для осуществления движения задним ходом в коробке передач применяются дополнительные механизмы. В качестве такого механизма обычно используетсяпланетарный редуктор, устройство и принцип работы которого подобен автоматической коробке передач.

В вариаторной коробке передач применяется, как правило,электронная система управления, которая выполняет следующие функции:

  1.  осуществление синхронного изменения диаметра шкивов вариатора в соответствии с режимами работы двигателя;
  2.  управление сцеплением;
  3.  обеспечение работы планетарного редуктора.

Непосредственное управление вариатором производится с помощьюрычага селектора. Режимы управления аналогичны режимам автоматической коробки передач. В вариаторной коробке передач может быть реализована функция выбора фиксированных передаточных отношений (аналогичная функции Tiptronic). Данная функция решает в основном психологическую проблему, связанную с использованием вариатора на автомобиле, а именно - негативное восприятие водителем постоянной частоты вращения двигателя при разгоне. В ряде конструкций вариаторов функция имеет свое название: Sportronic у Mitsubishi, Autostick у Chrysler.

Схема работы клиноременного вариатора

Принцип работы клиноременного вариатора заключается в согласованном изменении диаметров шкивов в зависимости от режимов работы двигателя. Диаметр шкива изменяется с помощью специального привода. В начале движения автомобиля ведущий шкив вариатора имеет наименьший диаметр (конические диски максимально разжаты). Ведомый диск при этом имеет максимальный диаметр (конические диски максимально сжаты). При увеличении числа оборотов двигателя диаметр ведущего шкива увеличивается, а ведомого – уменьшается, соответственно и уменьшается передаточное число. При дальнейшем разгоне вариатор поддерживает оптимальные обороты двигателя, при которых реализуется максимальная мощность и обеспечивается наилучшая динамика автомобиля.

Особенности конструкции тороидного вариатора

Схема тороидного вариатора

Тороидный вариатор включает два соосных вала со сферической (тороидной) поверхностью, между которыми зажаты ролики. Изменение передаточного числа в тороидном вариаторе производится за счет изменения положения роликов, а передача крутящего момента за счет сил трения между рабочими поверхностями колес и роликов.

Управление вариатором

 

Управление вариатором осуществляет электронная система, которая обеспечивает функционирование различных элементов коробки передач (сдвижение шкивов, блокировку гидротрансформатора, работу планетарного редуктора) путем регулирования давления рабочей жидкости. В конечном счете, с помощью системы управления достигается требуемая скорость движения автомобиля.

Конструкция и работа системы управления рассмотрена на примере вариатора X-Tronic CVT, который устанавливается на автомобили концерна Nissan, а производит вариатор его «дочка» - компания Jatco.

Конструкция системы управления вариатором

Как всякая электронная система управления система управления вариатором состоит из входных устройств, блока управления и исполнительных механизмов.

К входным устройствам относятся различные датчики и переключатели. Они контролируют различные параметры работы вариаторной коробки передач, преобразуют их в электрические сигналы и передают в электронный блок управления. В управлении вариатором принимают участие следующие датчики и переключатели:

  1.  датчик частоты оборотов ведущего шкива;
  2.  датчик частоты оборотов ведомого шкива;
  3.  датчик температуры рабочей жидкости;
  4.  датчик давления, подводимого к ведущему шкиву;
  5.  датчик давления, подводимого к ведомому шкиву;
  6.  переключатель режимов работы вариатора, в т.ч. переключатель ручного режима работы.

Центральным элементом системы является электронный блок управления. В соответствии с заложенной программой блок управления выполняет множество функций, среди которых:

  1.  прием и обработка сигналов от датчиков и переключателей;
  2.  регулирование давления рабочей жидкости в основной магистрали;
  3.  регулирование давления рабочей жидкости, подводимой шкивам;
  4.  определение момента срабатывания муфты гидротрансформатора;
  5.  блокировка муфты планетарного редуктора;
  6.  самодиагностика системы управления;
  7.  управление коробкой передач в аварийном режиме.

Для принятия решений блок управления использует информацию и от других систем автомобиля: системы управления двигателем (от датчика положения педали газа, датчика положения дроссельной заслонки), антиблокировочной системы тормозов (от датчиков угловой скорости колес).

Исполнительными механизмами, с помощью которых блок управления реализует свои функции, являются:

  1.  шаговый электродвигатель;
  2.  электромагнитный клапан давления в основной магистрали;
  3.  электромагнитный клапан давления, подводимого к ведомому шкиву;
  4.  электромагнитный клапан блокировки муфты гидротрансформатора;
  5.  электромагнитный клапан блокировки муфты планетарного редуктора;
  6.  индикаторы работы вариатора на панели приборов автомобиля.

Шаговый электродвигатель служит для распределения давления между ведущим и ведомым шкивами. Двигатель через тягу соединен с подвижной частью ведущего шкива. С тягой также соединен управляющий клапан (золотник) ведущего шкива вариатора. Положение управляющего клапана зависит и от положения ведущего шкива вариатора и положения шагового двигателя. Золотник имеет три рабочих положения (наполнение, удержание и слив), с помощью которых достигается изменение передаточного отношения вариатора.

Шаговый электродвигатель, электромагнитные клапаны, а также датчики давления и датчик температуры рабочей жидкости конструктивно объединены в одно устройство –электрогидравлический модуль.

Работа системы управления вариатором

Как уже отмечалось, принцип работы системы управления вариатором заключается в регулировании давления рабочей жидкости для различных устройств коробки передач. Максимальное давление (до 6 МПа) используется для управления ведущим и ведомым шкивами. Его создает электромагнитный клапан давления в основной магистрали.

Другим устройствам требуется меньшее давление рабочей жидкости: до 1,5 МПа для срабатывания муфты планетарного редуктора, до 1 МПа для блокировочной муфты гидротрансформатора. А смазка и охлаждение вариатора вообще производится рабочей жидкостью под давлением 0,4 МПа.

Процесс управления шкивами вариатора можно разделить на три этапа:

  1.  удержание заданного передаточного отношения;
  2.  увеличение передаточного отношения;
  3.  уменьшение передаточного отношения.

Удержание заданного передаточного отношения достигается при определенном положении управляющего клапана. В этом положении гидроцилиндр ведущего шкива вариатора заперт, а рабочая жидкость под давлением подается в гидроцилиндр ведомого шкива для создания необходимого натяжения ремня вариатора.

При увеличении передаточного отношения (увеличении диаметра ведущего шкива и уменьшении диаметра ведомого шкива) блок управления дает команду шаговому двигателю на выдвижение штока. Управляющий клапан также перемещается, что позволяет рабочей жидкости заполнить гидроцилиндр ведущего шкива. Под давлением жидкости стенки ведущего шкива сжимаются, а ремень соответственно перемещается наружу и занимает больший диаметр. При достижении требуемого передаточного отношения управляющий клапан переходит в режим удержания давления.

В ведомом шкиве давление наоборот уменьшается. Под управлением соответствующего электромагнитного клапана рабочая жидкость покидает гидроцилиндр ведомого шкива. Под действием пружины стенки шкива раздвигаются, а диаметр шкива уменьшается. Как только достигается требуемый диаметр ведомого шкива, в гидроцилиндре шкиве снова создается давление для натяжения ремня вариатора.

При уменьшении передаточного отношения шаговый двигатель перемещает управляющий клапан в рабочее положение «слив». Жидкость покидает гидроцилиндр ведущего шкива, стенки шкива под действием пружины раздвигаются и ремень занимает меньший диаметр. В это время на гидроцилиндр ведомого шкива действует максимальное давление, которое приводит к сжатию его стенок и увеличению диаметра. Как только передаточное отношение достигнет требуемого значения, управляющий клапан переходит в режим удержания давления.

Гидротрансформатор в составе вариаторной коробки передач работает только на небольших скоростях (при трогании автомобиля с места). При достижении определенной скорости происходит блокировка муфты гидротрансформатора, крутящий момент передается напрямую к вариатору. Муфты блокировки планетарного редуктора срабатывают при включении режимов управления вариатором D (Drive) или R (Reverse).

Вариатор Мультитроник (Multitronic)

 

Вариатор Мультитроник (торговая марка Multitronic) является самой совершенной на сегодняшний день бесступенчатой коробкой передач. Применение данной коробки обеспечивает максимальную динамичность автомобиля, высокую топливную экономичность двигателя и комфорт в управлении транспортным средством. Благодаря высоким потребительским качествам вариаторная коробка передач устанавливается на автомобили премиум-классаAudi (модели А4, А5 и А6).

Вариатор Мультитроник имеет следующее устройство:

  1.  многодисковое мокрое сцепление;
  2.  планетарный механизм;
  3.  промежуточная передача;
  4.  вариатор (вариаторная передача);
  5.  главная передача;
  6.  дифференциал;
  7.  система управления коробкой передач;
  8.  картер коробки передач.

Схема коробки передач Мультитроник (Multitronic)

Функцию разъединения двигателя от коробки передач в системе Multitronic выполняют два мокрых (работающих в масле) многодисковых сцепления. Сцепления представляют собой многодисковые фрикционные муфты – фрикционы: фрикцион переднего хода и фрикцион заднего хода. Конструкция фрикционных муфт аналогична муфтам, применяемым для переключения передач в АКПП.

В коробке передач предусмотрено принудительное охлаждение фрикционов отдельным потоком рабочей жидкости. Фрикционные муфты имеют существенные преимущества по сравнению с гидротрансформатором, выполняющим аналогичную функцию. Они обладают меньшей массой, компактны и проще в управлении.

Планетарный механизм используется только для движения задним ходом. При движении автомобиля вперед происходит блокировка редуктора фрикционом переднего хода. При движении назад – фрикцион заднего хода блокирует коронную шестерню редуктора на корпус коробки передач, вследствие чего планетарный редуктор движется в противоположную сторону. Скорость движения задним ходом ограничивается системой управления.

Вариатор обеспечивает плавное изменение передаточного числа. Он состоит из следующих конструктивных элементов:

  1.  ведущий шкив;
  2.  ведомый шкив;
  3.  цепь.

Каждый из шкивов представляют собой два диска с конической поверхностью. Ведущий диск соединяется с коленчатым валом двигателя через промежуточную передачу. С ведомого диска крутящий момент направляется на главную передачу. Один из дисков на каждом шкиве подвижен. Это позволяет в процессе работы изменять диаметр шкива.

В вариаторе Мультитроник впервые применена металлическая цепь. Данное техническое решение позволило значительно расширить диапазон передаточных чисел за счет уменьшения поверхности соприкосновения цепи со шкивом (в сравнении с клиновидным ремнем). Снижение шума при работе металлической цепи достигнуто путем использования звеньев различного размера.

Привод каждого из шкивов состоит из двух гидроцилиндров – прижимного и регулировочного. Прижимной гидроцилиндр непосредственно прижимает цепь к дискам шкива. Регулировочный гидроцилиндр обеспечивает изменение диаметра шкива, т.е. регулирует передаточное отношение. Сила, с которой диски прижимаются к цепи, контролируется датчиком крутящего момента. Датчик установлен на ведущем диске.

Так как вариатор Multitronic устанавливается на переднеприводные автомобили, в конструкцию коробки передач включены главная передача и дифференциал.

Система управления коробкой передач включает следующие элементы:

  1.  гидравлический блок управления;
  2.  входные датчики;
  3.  электронный блок управления.

Гидравлический блок управления осуществляет непосредственное управление фрикционами переднего и заднего хода, прижимными и регулировочными цилиндрами, регулирует давление рабочей жидкости в системе, а также производит охлаждение фрикционов. В гидравлическом блоке имеются:

  1.  золотник ручного управления;
  2.  гидравлические клапаны;
  3.  электромагнитные клапаны управления давлением.

Циркуляцию рабочей жидкости в системе обеспечивает масляный насос шестеренного типа, который имеет привод от первичного вала. Для охлаждения фрикционов применяется эжекционный насос, действие которого основано на подаче рабочей жидкости за счет разряжения. Охлаждение рабочей жидкости производится в масляно-водяном теплообменнике, включенном в систему охлаждения двигателя.

К входным датчикам системы управления коробкой передач относятся:

  1.  датчик положения рычага селектора;
  2.  датчик числа оборотов на входе коробки передач;
  3.  датчик числа оборотов на выходе коробки передач;
  4.  датчик температуры рабочей жидкости;
  5.  датчик давления рабочей жидкости.

Электронный блок управления служит для выбора оптимального передаточного отношения в соответствии с условиями движения и желаниями водителя. На основании сигналов датчиков электронный блок управления вычисляет величину давления рабочей жидкости и реализует это давление путем воздействия на электромагнитные клапаны. Блок управления установлен непосредственно на коробке передач.

Вариатор Мультитроник имеет механическую связь с рычагом селектора. Режимы управления коробкой передач аналогичны режимам АКПП. В данной коробке реализован режим «Кик-Даун» (Kick-Down), предполагающий быстрое ускорение автомобиля. Используется функция выбора фиксированных передач Типтроник (Tiptronic).

Функция Типтроник (Tiptronic)

 

Типтроник (Tiptronic) является торговым названием функции (режима) ручного переключения передач, который реализуется в автоматической коробке передач. Помимо потребительских качеств, данная функция позволяет контролировать динамику автомобиля при различных режимах работы двигателя (дополнительное ускорение, торможение двигателем, включение пониженной передачи при повороте и др.), что недоступно для классической АКПП.

Торговая марка Tiptronic зарегистрирована в 1989 году и принадлежит немецкому производителю спортивных автомобилей Porshe. Изначально система была разработана для автоспорта, чтобы обеспечить быстрое переключение передач за счет наименьшей траектории рычага управления.

В настоящее время функция Tiptronic используется наавтоматических коробках передач, устанавливаемых на автомобили концерна Volkswagen (VW, Audi, Skoda, Seat, Porshe), а также нароботизированных коробках передач DSG, S-Tronic и вариаторе Multitronic. Аналогичная функция под названием Стептроник(Steptronic) реализуется на автомобилях BMW. Благодаря широкому распространению ручного режима на автоматических коробках передач название Типтроник стало нарицательным.

Многие используют термин "типтроник" для обозначения отдельной конструкции автоматической коробки передач, которая включает функцию ручного переключения передач, что не совсем верно. Типтроник - только функция АКПП.

Режим Tiptronic осуществляется посредством рычага селектора автоматической коробки передач. Для этого в кулисе селектора предусмотрен специальный вырез со знаками «+» и «-». На некоторых моделях автомобилей ручное переключение передач осуществляется с помощью подрулевых переключателей ("лепестков"). Выбранная передача транслируется на информационный дисплей.

Функция реализуется с помощью отдельной программы в электронном блоке управления коробкой передач. Работу системы Типтроник обеспечивают следующие устройства:

  1.  переключатели в селекторе коробки передач;
  2.  переключатели на рулевом колесе.

В селекторе коробки передач может устанавливаться от одного до трех (в зависимости от конструкции) переключателей: один – для включения режима, второй – для переключения на высшую передачу и третий – для переключения на низшую передачу. Сигналы от переключателей передаются в электронный блок управления, где запускается алгоритм программы. Блок управления, в свою очередь, обеспечивает переключение передач.

При нажатии на подрулевые «лепестки» система управления переводит коробку в ручной режим, миную переключение рычага селектора. Если подрулевые переключатели не используются водителем, то по истечении определенного времени система управления самостоятельно переводит коробку в автоматический режим работы.

В вариаторе Multitronic функция Tiptronic осуществляется за счет программирования фиксированных передаточных чисел в вариаторе.

Подвеска автомобиля

 

Подвеска автомобиля предназначена для обеспечения упругой связи между колесами и кузовом автомобиля за счет восприятия действующих сил и гашения колебаний. Подвеска входит в составходовой части автомобиля.

Подвеска автомобиля имеет следующее общее устройство:

  1.  направляющий элемент;
  2.  упругий элемент;
  3.  гасящее устройство;
  4.  стабилизатор поперечной устойчивости;
  5.  опора колеса;
  6.  элементы крепления.

Направляющие элементы обеспечивают соединения и передачу сил на кузов автомобиля. Направляющие элементы определяют характер перемещения колес относительно кузова автомобиля. В качестве направляющих элементов используются всевозможные рычаги: продольные, поперечные, сдвоенные и др.

Упругий элемент воспринимает нагрузки от неровности дороги, накапливает полученную энергию и передает ее кузову автомобиля. различают металлические и неметаллические упругие элементы. Металлические упругие элементы представлены пружиной, рессорой и торсионом.

В подвесках легковых автомобилей широко используются витые пружины, изготовленные из стального стержня круглого сечения. Пружина может иметь постоянную и переменную жесткость. Цилиндрическая пружина, как правило, постоянной жесткости. Изменение формы пружины (применение металлического прутка переменного сечения) позволяет достичь переменной жесткости.

Листовая рессора применяется на грузовых автомобилях.

Торсион представляет собой металлический упругий элемент, работающий на скручивание.

К неметаллическим относятся резиновые, пневматические и гидропневматические упругие элементы. Резиновые упругие элементы (буферы, отбойники) используются дополнительно к металлическим упругим элементам.

Работа пневматических упругих элементов основана на упругих свойствах сжатого воздуха. Они обеспечивают высокую плавность хода и возможность поддержания определенной величины дорожного просвета.

Гидропневматический упругий элемент представлен специальной камерой, заполненной газом и рабочей жидкостью, разделенных эластичной перегородкой.

Схема однотрубного газонаполненного амортизатора

Гасящее устройство (амортизатор) предназначено для уменьшения амплитуды колебаний кузова автомобиля, вызванных работой упругого элемента. работа амортизатора основана на гидравлическом сопротивлении, возникающем при протекании жидкости из одной полости цилиндра в другую через калибровочные отверстия (клапаны).

Различают следующие конструкции амортизаторов: однотрубные (один цилиндр) идвухтрубные (два цилиндра). Двухтрубные амортизаторы короче однотрубных, имеют большую область применения, поэтому шире используются на автомобиле.

Схема двухтрубного газонаполненного амортизатора

У однотрубных амортизаторов рабочая и компенсационная полости расположены в одном цилиндре. Изменение объема рабочей жидкости, вызванные температурными колебаниями, компенсируются за счет объема газовой полости.

Двухтрубный амортизатор включает две, расположенные одна в другой, трубы. Внутренняя труба образует рабочий цилиндр, а внешняя - компенсационную полость.

В ряде конструкций амортизаторов предусмотрена возможность изменения демпфирующих свойств:

  1.  ручная регулировка клапанов перед установкой амортизатора на автомобиль;
  2.  применение электромагнитных клапанов с изменяемой площадью калибровочных отверстий;
  3.  изменение вязкости рабочей жидкости за счет воздействия электромагнитного поля.

Стабилизатор поперечной устойчивости противодействует увеличению крена при повороте за счет перераспределения веса по колесам автомобиля. Стабилизатор представляет собой упругую штангу, соединенную через стойки с элементами подвески. Стабилизатор может устанавливаться на переднюю и заднюю ось.

Опора колеса (для передней оси - поворотный кулак) воспринимает усилия от колеса и распределяет их на другие элементы подвески (рычаги, амортизатор).

Элементы подвески соединяются между собой и с кузовом автомобиля с помощью элементов крепления. В подвеске используются, в основном, три вида креплений:

  1.  жесткое болтовое соединение;
  2.  соединение с помощью эластичных элементов (резино-металлические втулки, сайлент-блоки);
  3.  шаровой шарнир (шаровая опора).

Эластичные элементы используются для присоединения элементов подвески к кузову и в отдельных случаях к опоре колеса. Соединение с кузовом осуществляется через подрамник. Эластичные элементы гасят вибрации определенной частоты и, тем самым, снижают уровень шума в подвеске.

Шаровой опорой называется вид шарнирного соединения, который за счет степени свободы обеспечивает правильную геометрию поворота ведущих колес. Шаровая опора устанавливается на нижнем рычаге передней подвески, а также на конце тяги рулевого механизма. Для удобства эксплуатации шаровые опоры делают съемными.

В зависимости от конструкции направляющих элементов различаютдва типа подвески - независимая и зависимая.

Зависимая подвеска объединяет колеса жесткой балкой, и образует так называемый мост автомобиля. Перемещение одного из колес в поперечной плоскости передается другому колесу. Зависимая подвеска вследствие своей простоты имеет высокую надежность.

В независимой подвеске связь между колесами отсутствует. Колеса перемещаются в поперечной плоскости независимо друг от друга, чем достигается значительное снижение неподрессоренных масс и повышение плавности хода. На современных легковых автомобилях независимая подвеска используется в качестве основной конструкции передней и задней подвесок.

Виды подвесок

Различают следующие виды независимых подвесок:

  1.  подвеска на двойных поперечных рычагах;
  2.  подвеска МакФерсон;
  3.  многорычажная подвеска;
  4.  подвеска на продольных рычагах;
  5.  торсионная подвеска.

В качестве задней подвески автомобиля используется подвеска на продольных рычагах. Остальные виды подвесок могут использоваться как на передней, так и на задней оси автомобиля. Наибольшее распространение на легковых автомобилях получили следующие виды подвесок:

  1.  на передней оси – подвеска МакФерсон;
  2.  на задней оси – многорычажная подвеска.

На некоторых внедорожных автомобилях и автомобилях премиум-класса устанавливается пневматическая подвеска, в которой используются пневматические упругие элементы. Особое место в конструкции подвесок занимает гидропневматическая подвеска, разработанная фирмой Citroen. Конструкция пневматической и гидропневматической подвески построена на известных типах подвесок.

В настоящее время многие автопроизводители оборудуют свои автомобили активной подвеской. Разновидностью активной подвески является т.н. адаптивная подвеска, в которой предусмотрено автоматическое регулирование демпфирующей способности амортизаторов.

 Подвеска МакФерсон (McPherson)

 

Подвеска МакФерсон (McPherson) является самым распространенным видом независимой подвески, который применяется на передней оси автомобиля. По своей конструкции подвеска МакФерсон является развитием подвески на двойных поперечных рычагах, в которой верхний поперечный рычаг заменен на амортизаторную стойку.

Благодаря компактности конструкции подвеска McPherson широко используется на переднеприводных легковых автомобилях, так как позволяет поперечно разместить двигатель и коробку передач в подкапотном пространстве. К другим преимуществам данного типа подвески относятся простота конструкции, а также большой ход подвески, препятствующий пробоям.

Вместе с тем, конструктивные особенности подвески (шарнирное крепление амортизаторной стойки, большой ход) приводят к значительному изменению развала колес (угла наклона колеса к вертикальной плоскости). По этой причине данный тип подвески не применяется на спортивных автомобилях и автомобилях премиум-класса.

Подвеска МакФерсон имеет следующее устройство:

  1.  подрамник;
  2.  поперечный рычаг;
  3.  поворотный кулак;
  4.  амортизаторная стойка;
  5.  стабилизатор поперечной устойчивости.

Схема подвески МакФерсон

Подрамник является несущим элементом подвески. Он крепится к кузову автомобиля с помощью резинометаллических опор –сайлентблоков. Применение резинометаллических элементов в конструкции подвески позволяют уменьшить вибрации и снизить шум. На некоторых автомоблиях предусмотрено жесткое крепление подрамника к кузову. К подрамнику крепятся опоры поперечного рычага, стабилизатор поперечной устойчивости, устанавливается рулевой механизм.

На подрамник с двух сторон крепятсяпоперечные рычаги (рычаг правого и левого колес). Каждый поперечный рычаг соединяется с подрамником в двух местах с помощью резиновых втулок. Двойное крепление рычага обеспечивает необходимую жесткость в продольном направлении. Другим концом поперечный рычаг через шаровую опору соединен с поворотным кулаком.

Поворотный кулак обеспечивает поворот колеса за счет шарнирного соединения с рулевой тягой. В верхней части поворотный кулак поворотный кулак закреплен на амортизаторной стойке с помощью клеммового соединения. В нижней части кулак соединен с поперечным рычагом. Дополнительным рычагом выступает наконечник рулевого механизма, соединенный с поворотным кулаком шаровой опорой. В поворотном кулаке размещены подшипниковый узел и тормозной суппорт. Подшипниковый узел включает ступицу колеса и ступичный подшипник.

Амортизаторная стойка объединяет упругий элемент (пружину) и амортизатор. Металлическая пружина расположена соосно с амортизатором и закреплена на стойке. Для изменения линейной характеристики упругости пружины соосно с ней устанавливаетсябуфер сжатия. В нижней части стойка соединена с поворотным кулаком. В верхней части она крепится к брызговику крыла с помощью резиновой втулки.

Стабилизатор поперечной устойчивости обеспечивает снижение боковых кренов автомобиля. Стабилизатор устанавливается в подрамнике посредством двух опор. Концы стабилизатора соединены с амортизаторными стойками с помощью соединительных штанг(стоек) с шарнирными наконечниками.

Подвеска на двойных поперечных рычагах

 

С момента своего создания в 1935 году подвеска на двойных поперечных рычагах считается конструкторами идеальным видом независимой подвески, т.к. обеспечивает постоянный контроль за характером движения колеса. Двойные поперечные рычаги подвески всегда поддерживают колесо перпендикулярно поверхности дороги, чем достигает высокая управляемость автомобиля.

Подвеска на двойных поперечных рычагах может применяться на передней и задней оси автомобиля. Подвеска используется в качестве передней подвески на многих спортивных автомобилях (Ferrari, TVR, Lotus), седанах представительского и бизнес класса (Mercedes-Benz, BMW, Honda, Alfa Romeo).

На задней оси автомобиля подвеска на двойных поперечных рычагах используется редко. В силу своей конструкции подвеска занимает значительный объем при установке и уменьшает объем багажника. С другой стороны применение подвески на задней оси приводит к избыточной управляемости (отклонению задних колес в противоположную к повороту сторону) и потере контроля над автомобилем.

Схема подвески на двойных поперечных рычагах

Конструкция подвески на двойных поперечных рычагах включает два поперечных рычага, пружину и амортизатор.

Рычаг может иметь U-образную или L-образную форму. Каждый из рычагов имеет две точки крепления ккузову автомобиля и одну к поворотному кулаку. Крепление к кузову осуществляется с помощью резинометаллических втулок –сайлентблоков, которые противостоят продольным нагрузкам при ускорении и торможении. Крепление рычагов к поворотному кулаку производится посредством шаровых шарниров – т.н. шаровых опор.

Верхний рычаг, как правило, имеет меньшую длину, что дает отрицательный угол развала колеса при сжатии и положительный – при растяжении (отбое). Данное свойство придает дополнительную устойчивость автомобилю при прохождении поворотов, оставляя колесо перпендикулярным дороге независимо от положения кузова.

Пружина и амортизатор в подвеске на двойных поперечных рычагах выполнены соосно. Амортизатор верхней частью крепиться к кузову автомобиля, нижней – шарнирно к нижнему поперечному рычагу.

Несмотря на все преимущества, подвеска на двойных поперечных рычагах имеет ряд существенных недостатком, среди которых сложность конструкции и связанная с ней трудоемкость обслуживания, значительные геометрические размеры. Этих недостатков лишена подвеска МакФерсона, в которой верхний поперечных рычаг заменен на амортизаторную стойку.

Дальнейшим развитием подвески на двойных поперечных рычагах является и многорычажная подвеска. В ней сдвоенные поперечные рычаги разделены на отдельные рычаги, при этом один из нижних рычагов выполнен продольно оси автомобиля. Это позволило избавиться от отрицательного угла развала задних колес, добиться эффекта подруливания в поворотах и, тем самым, повысить управляемость автомобиля.

Многорычажная подвеска

 

Многорычажная подвеска (Multilink) в настоящее время является самым распространенным видом подвески, который применяется на задней оси легкового автомобиля. Многорычажная подвеска устанавливается как на переднеприводные, так и на заднеприводные автомобили. Данный тип подвески используется также на передней оси автомобиля, например на некоторых моделях автомобилей Audi.

Основными преимуществами многорычажной подвески, обусловленными ее конструкцией, являются высокая плавность хода, низкий уровень шума, лучшая управляемость. Вместе с тем, подвеска достаточно дорога и сложна в изготовлении и установке.

Многорычажная подвеска является дальнейшим развитием подвески на двойных поперечных рычагах. Если каждый из поперечных рычагов разделить на две части (два отдельных рычага) получиться простейшая многорычажная подвеска.

В многорычажной подвеске для крепления ступицы колеса используется не менее четырех рычагов, что обеспечивает независимую продольную и поперечную регулировки колеса. В современных конструкциях многорычажных подвесок наряду с поперечными рычагами используются продольные рычаги.

Многорычажная подвеска имеет следующее устройство:

  1.  подрамник;
  2.  поперечные рычаги;
  3.  продольный рычаг;
  4.  ступичная опора;
  5.  амортизатор;
  6.  пружина;
  7.  стабилизатор поперечной устойчивости.

Схема многорычажной подвески

Подрамник является несущим элементом подвески. К подрамнику через резинометаллические втулки крепятся поперечные рычаги.

Поперечные рычаги соединены со ступичной опорой и обеспечивают ее положение в поперечной плоскости. В конструкции подвески может использоваться от трех до пяти поперечных рычагов. Стандартная конструкция многорычажной подвески включает три поперечных рычага:

  1.  верхний;
  2.  передний нижний;
  3.  задний нижний.

Верхний рычаг служит для передачи поперечных усилий и связывает корпус опоры колеса с подрамником. Передний нижний рычаг определяет схождение колеса. Задний нижний рычагвоспринимает вес кузова, который передается на рычаг через пружину.

Продольный рычаг выполняет функцию ведения колеса в продольном направлении. Продольный рычаг с помощью опоры крепится к кузову автомобиля. С другой стороны рычаг соединен со ступичной опорой. На каждое из колес приходится свой продольный рычаг.

Ступичная опора (корпус опоры колеса) является основанием для размещения ступичного подшипника и крепления колеса. Подшипник закрепляется на опоре болтом.

Для восприятия нагрузок в подвеске установлена винтовая пружина. Пружина опирается на задний нижний поперечный рычаг.

Амортизатор обычно расположен отдельно от пружины. Он соединен со ступичной опорой.

В конструкции многорычажной подвески используется стабилизатор поперечной устойчивости, который снижает крены кузова автомобиля при прохождении поворотов и обеспечивает необходимое сцепление задних колес с дорогой. Штанга стабилизатора закрепляется с помощью резиновых опор на подрамнике. Специальные тяги обеспечивают соединение штанги со ступичными опорами.

Торсионная подвеска

 

Торсионная подвеска – вид подвески, в которой в качестве упругого элемента используется торсион.

Торсион представляет собой металлический упругий элемент, работающий на скручивание. Как правило, это металлический стержень круглого сечения со шлицевым соединением на концах. Торсион может состоять из набора пластин, стержней, балки определенного сечения.

Конструктивно торсион одним концом крепиться к кузову или раме автомобиля, а другим – к направляющему элементу – рычагу. При перемещении колес торсион закручивается, чем достигается упругая связь между колесом и кузовом.

Особенностью торсионов является вращение только в одну сторону – в направлении скручивания. Другой особенностью является то, что торсион может использоваться для регулировки высоты кузова.

Торсионы применяются в различных видах независимых подвесок:

  1.  подвеске на двойных поперечных рычагах;
  2.  подвеске на продольных рычагах;
  3.  подвеске со связанными продольными рычагами (торсионная балка).

Схема торсионной подвески

В торсионной подвеске на двойных поперечных рычагах торсионы располагаются параллельно кузову, благодаря чему их длину, а соответственно упругие свойства можно регулировать в широком пределе. Один конец торсиона крепиться к нижнему поперечному рычагу (реже к верхнему рычагу), другой конец – к раме автомобиля. Данная конструкция торсионной подвески используется в качестве передней подвески легковых автомобилей повышенной проходимости – некоторых моделей американских и японских внедорожников.

В торсионной подвеске на продольных рычагах торсионы соединены с продольными рычагами и, соответственно, расположены поперек кузова. Данная конструкция торсионной подвески применяется в качестве задней подвески некоторых моделей легковых автомобилей малого класса.

Схема торсионной балки

Особое место в конструкциях торсионных подвесок занимает т.н.торсионная балка или подвеска со связанными продольными рычагами. Направляющим устройством данной подвески являются два продольных рычага, жестко соединенных между собой балкой. Продольные рычаги с одной стороны крепятся к кузову, с другой – к ступицам колес. Балка имеет U-образное сечение, поэтому обладает большой жесткостью на изгиб и малой на кручение. Это свойство позволяет колесам двигаться вверх-вниз независимо друг от друга.

Торсионная балка в настоящее время широко применяется в качестве задней подвески переднеприводных автомобилей малого и среднего класса. Благодаря своей конструкции подвеска с торсионной балкой занимает промежуточное положение между зависимым и независимым типом подвесок, поэтому другое ее название полунезависимая подвеска.

Активная подвеска

 

Подвеска современного автомобиля представляет собой компромисс между управляемостью, устойчивостью и комфортом. Жесткая подвеска обеспечивает минимальные крены, а значит лучшую управляемость и устойчивость. Мягкая подвеска отличается плавностью хода, но при маневрировании приводит к раскачке автомобиля, ухудшению управляемости и устойчивости. Поэтому многие автопроизводители разрабатывают и внедряют на свои автомобили различные конструкции активной подвески.

Под термином «активная» понимается подвеска, параметры которой могут изменяться при эксплуатации. Электронная система управления в составе активной подвески позволяет изменять параметры автоматически. Конструкции активной подвески можно условно разделить по элементам подвески, параметры которой изменяются:

Элемент подвески

Изменяемый параметр

Амортизатор

  1.  степень демпфирования;
  2.  жесткость подвески

Упругий элемент

  1.  жесткость подвески;
  2.  высота кузова

Стабилизатор поперечной устойчивости

  1.  жесткость стабилизатора

Рычаги

  1.  длина рычага;
  2.  схождение колес

 

В ряде конструкций активной подвески используется воздействие на несколько элементов.

Наиболее широко в конструкции активной подвески используютсяамортизаторы с регулируемой степенью демпфирования. Данный вид активной подвески имеет собственное устоявшееся название – адаптивная подвеска. Такую подвеску еще называют полуактивной подвеской, т.к. в ее конструкции не используются дополнительные приводы.

При регулировании демпфирующей способности амортизатора реализуется два подхода: использование электромагнитных клапанов в амортизаторной стойке и применение специальной магнитно-реологической жидкости для наполнения амортизатора. Электроника позволяет регулировать степень демпфирования индивидуально для каждого амортизатора, чем достигаются различные характеристики жесткости подвески (высокая степень демпфирования - жесткая подвеска, низкая степень демпфирования - мягкая подвеска). Известными конструкциями адаптивной подвески являются:

  1.  Adaptive Chassis Control, DCC (Volkswagen);
  2.  Adaptive Damping System, ADS (Mersedes-Benz);
  3.  Adaptive Variable Suspension, AVS (Toyota);
  4.  Continuous Damping Control, CDS (Opel);
  5.  Electronic Damper Control, EDC (BMW).

Активная подвеска с регулируемыми упругими элементамиболее универсальна, т.к. позволяет поддерживать определенную высоту кузова и жесткость подвески. С другой стороны такая подвеска имеет более сложную конструкцию (используется отдельный привод для регулирования упругих элементов), поэтому и стоимость ее намного выше. В качестве упругого элемента в активной подвеске используются традиционные пружины, а также пневматические и гидропневматические упругие элементы.

В подвеске Active Body Control, ABC от Mercedes-Benz жесткость пружины изменяется с помощью гидравлического привода, который обеспечивает нагнетание масла в амортизаторную стойку под высоким давлением. На пружину, установленную соосно с амортизатором, воздействует гидравлическая жидкость гидроцилиндра.

Управление гидроцилиндрами амортизаторных стоек осуществляет электронная система, которая включает 13 различных датчиков (положения кузова, продольного, поперечного и вертикального ускорения, давления), блока управления и исполнительных устройств - электромагнитных клапанов. Система АВС практически полностью исключает крены кузова при различных условиях движения (поворот, ускорение, торможение), а также регулирует положение кузова по высоте (понижает автомобиль на 11 мм при скорости свыше 60 км/ч).

Пневматический упругий элемент составляет основупневматической подвески. Он обеспечивает регулирование высоты кузова относительно поверхности дороги. Давление в пневматических упругих элементах создается с помощью пневматического привода, включающего электродвигатель с компрессором. Для изменения жесткости подвески используются амортизаторы с регулируемой степенью демпфирования. Такой подход реализован в пневматической подвеске Airmatic Dual Control от Mercedes-Benz, в которой применена адаптивная система Adaptive Damping System.

Гидропневматические упругие элементы используются вгидропневматической подвеске, которая позволяет изменять жесткость и высоту кузова в зависимости от условий движения и желаний водителя. Работу подвески обеспечивает гидравлический привод высокого давления. Управление гидросистемой производится с помощью электромагнитных клапанов. Современной конструкцией гидропневматической подвески является система Hydractive третьего поколения, которая устанавливается на автомобили Citroёn.

Отдельную группу составляют конструкции активной подвески, в которых изменяется жесткость стабилизатора поперечной устойчивости. При прямолинейном движении стабилизатор поперечной устойчивости выключается, за счет чего увеличиваются ходы подвески, лучше обрабатываются неровности и тем самым достигается высокая плавность и комфортность передвижения. При повороте или резком изменении направления движения жесткость стабилизаторов увеличивается пропорционально воздействующим силам, и предотвращаются крены кузова. Известными конструкциями активной стабилизации подвески являются:

  1.  Dynamic Drive от BMW;
  2.  Kinetic Dynamic Suspension System, KDSS от Toyota.

Одну из наиболее интересных конструкций активной подвески предлагает на своих автомобилях компания Hyundai. Система активного управления геометрией подвески (Active Geometry Control Suspension, AGCS) позволяет изменять длину рычагов подвески, за счет чего изменяется схождение задних колес. Для изменения длины рычага используется электрический привод. При прямолинейном движении и маневрировании на небольшой скорости система устанавливает минимальное схождение. Поворот на высокой скорости, активное перестроение из ряда в ряд сопровождается увеличением схождения задних колес. Автомобиль получает дополнительную устойчивость и лучшую управляемость. Система AGCS взаимодействует с системой курсовой устойчивости.

Пневматическая подвеска

 

Пневматическая подвеска (обиходное название –пневмоподвеска) – вид подвески, обеспечивающий регулирование уровня кузова относительно дороги за счет применения пневматических упругих элементов. В настоящее время пневматическая подвеска устанавливается в качестве опции на некоторых моделях автомобилей бизнес-класса и больших внедорожниках (например, Volkswagen Touareg, Audi Q7).

По своей сути пневмоподвеска не является отдельным видом подвески автомобиля, т.к. реализована со многими конструкциями подвесок (МакФерсонмногорычажная подвеска и др.). В настоящее время пневмоподвеску используют на своих автомобилях многие автопроизводители: Audi, Bentley, BMW, Lexus, GM, Ford, Land Rover, Mercedes-Benz, SsangYong, Subaru, Volkswagen. Некоторые конструкции подвесок имеют собственные названия, например, Airmatic Dual Control от Mercedes-Benz.

Основными преимуществами пневматической подвески являются комфортабельность, геометрическая проходимость и безопасность автомобиля. Пневмоподвеска, как правило, применяется в комбинации с автоматически регулируемыми амортизаторами. Такая конструкция называется адаптивная пневмоподвеска.

Пневматическая подвеска имеет следующее общее устройство:

  1.  пневматические упругие элементы на каждое колесо;
  2.  модуль подачи воздуха;
  3.  ресивер;
  4.  регулируемые амортизаторы (в адаптивной подвеске);
  5.  система управления.

Пневматический упругий элемент выполняет основную функцию подвески – поддержание определенного уровня кузова автомобиля. Это достигается путем изменения давления и соответствующего ему объема воздуха в упругих элементах.

Схема пневматического упругого элемента

Пневматический упругий элемент состоит из корпуса с направляющей, манжеты и поршня. Конструктивно пневматический упругий элемент может изготавливаться со встроенным амортизатором или устанавливаться отдельно. Упругий элемент, объединенный с амортизатором, имеет название пневматическая стойка (по аналогии с амортизаторной стойкой подвески МакФерсон).

Манжета пневматического упругого элемента изготавливается из прочного многослойного эластомера. В некоторых конструкциях упругих элементов применяется дополнительные пневмоаккумуляторы. Для поддержания давления при утечке воздуха в упругом элементе может устанавливаться клапан остаточного давления.

Модуль подачи воздуха служит для питания упругих элементов воздухом. Он включает электродвигатель, компрессор и осушитель воздуха. Конструктивно в модуль включен блок электромагнитных клапанов системы управления подвеской.

Ресивер представляет собой резервуар для воздуха и обеспечивает регулирование дорожного просвета при движении на небольшой скорости без включения компрессора, а также корректировку положения кузова на стоянке.

Конструкция и работа элементов адаптивной подвески рассмотрена в отдельной статье.

Модуль подачи воздуха и пневматические стойки образуютпневматическую систему подвески. Система может быть открытой или закрытой (замкнутой). Предпочтительной является замкнутая пневматическая система, обеспечивающая минимальные потери воздуха, а значит экономию энергии на его создание.

Создание и регулирование давления в пневматической системе подвески осуществляется с помощью электронной системы управления, которая включает входные датчики, блок управления и исполнительные устройства.

К входным датчикам относятся:

  1.  переключатель режимов ;
  2.  датчики уровня кузова;
  3.  датчики ускорения кузова;
  4.  датчик температуры компрессора;
  5.  датчик давления в системе.

С помощью переключателя на панели приборов осуществляется ручное регулирование уровня кузова. Датчики отслеживают параметры работы системы и преобразуют их в электрические сигналы.

Блок управления преобразует электрические сигналы входных датчиков в управляющие воздействия на исполнительные устройства. В своей работе блок управления взаимодействует с блоками системы управления двигателемсистемы курсовой устойчивости.

В системе управления пневматической подвески используются следующие исполнительные устройства:

  1.  клапаны пневматических упругих элементов (создание давления);
  2.  выпускной клапан (сброс давления);
  3.  переключающий клапан (поддержание давления в ресивере);
  4.  реле включения компрессора.

Конструктивно все клапаны сосредоточены в блоке электромагнитных клапанов, расположенном в модуле подачи воздуха.

Принцип работы пневматической подвески

В пневматической подвеске реализовано, как правило, три алгоритма управления:

  1.  автоматическое поддержание уровня кузова;
  2.  принудительное изменение уровня кузова;
  3.  автоматическое изменение уровня кузова в зависимости от скорости движения.

Автоматическое поддержание определенного уровня кузова в пневматической подвеске осуществляется независимо от степени загруженности автомобиля. Датчики уровня кузова постоянно измеряют расстояние от колес до кузова. Результаты измерений сравниваются с заданной величиной. При расхождении показаний электронный блок управления задействует необходимые исполнительные устройства: клапаны упругих элементов для подъема, выпускной клапан для опускания подвески.

Принудительное изменение высоты кузова обычно предусматривает три уровня: номинальный, повышенный и пониженный. Номинальный уровень используется для передвижения по обычным дорогам со скоростью до 100 км/ч. Пониженный уровень применяется для высокоскоростного движения. Повышенный уровень нужен для передвижения вне дорог и реализуется на скорости до 40 км/ч. Уровни кузова устанавливаются водителем с помощью переключателя. В конструкции пневмоподвески больших внедорожников предусмотрен дополнительный уровень для посадки пассажиров и погрузки багажа, который реализуется на неподвижном автомобиле.

Автоматическое изменение уровня кузова в зависимости от скорости обеспечивает устойчивость автомобиля в движении. При увеличении скорости программа управления подвеской переводит уровень кузова последовательно от повышенного к номинальному и далее, с ростом скорости, к пониженному. При снижении скорости система переводит положение кузова из пониженного в номинальное.

Применение амортизаторов с регулируемой степенью демпфирования значительно расширяет характеристики пневматической подвески, позволяя помимо высоты кузова изменять жесткость подвески в зависимости от условий движения.

Гидропневматическая подвеска

 

Гидропневматическая подвеска – вид подвески, в котором используются гидропневматические упругие элементы. Впервые гидропневматическая подвеска была применена на автомобилях Citroen в 1954 году. Современной конструкцией гидропневматической подвески является подвеска Hydractive, в которой реализованы ее лучшие качества. В настоящее время устанавливается гидропневматическая подвеска Hydractive третьего поколения. Гидропневматическая подвеска применялась по лицензии на автомобилях Mercedes, Rolls-Royce и др. В конструкции современной гидропневматической подвески предусмотрено автоматическое изменение характеристик, т.е. она являетсяактивной подвеской.

Основными преимуществами гидропневматической подвески являются высокая плавность хода, возможность регулировки положения кузова относительно дорожного покрытия, эффективное гашение колебаний, адаптация к стилю вождения конкретного человека. Сложность и высокая стоимость являются сдерживающими факторами широкого применения данного типа подвески.

Гидропневматическая подвеска используется совместно с другими типами подвесок. Так, на автомобиле Citroen C5 гидропневматическая подвеска на передней оси интегрирована сподвеской МакФерсон, а на задней оси с многорычажной подвеской.

Гидропневматическая подвеска Hydractive

История гидравлической подвески Hydractive насчитывает три поколения:

  1.  Hydractive 1 - с 1989 года;
  2.  Hydractive 2 - с 1993 года;
  3.  Hydractive 3 - с 2000 года.

Развитие гидропневматической подвески Hydractive осуществляется в двух направлениях - повышение надежности и расширение функциональных возможностей. Устройство гидропневматической подвески Hydractive рассмотрено на примере подвески третьего поколения. Подвеска Hydractive 3 включает следующие конструктивные элементы:

  1.  гидроэлектронный блок;
  2.  резервуар рабочей жидкости;
  3.  стойки передней подвески;
  4.  задние гидропневматические цилиндры;
  5.  регуляторы жесткости;
  6.  гидропроводы;
  7.  система управления.

Схема гидропневматической подвески Hydractive 3

Гидроэлектронный блок, резервуар рабочей жидкости, передние стойки, задние цилиндры, регуляторы жесткости образуютгидравлическую систему подвески. В гидравлическую систему также включен контургидравлического усилителя рулевого управления. В ранних версиях подвески гидравлическая система объединяла контур тормозной системы автомобиля. В подвеске Hydractive 3 тормозная система независима.

Гидроэлектронный блок (гидротроник) обеспечивает необходимое количество и давление рабочей жидкости в гидравлической системе подвески. Он объединяет электродвигатель, аксиально-поршневой насос, электронный блок управления, электромагнитные клапаны регулирования высоты кузова, запорный клапан (предотвращает опускание кузова в нерабочем состоянии), предохранительный клапан. Электронный блок управления и электромагнитные клапаны являются элементами системы управления подвески.

Резервуар рабочей жидкости располагается непосредственно над гидроэлектронным блоком. В подвеске Hydractive 3 используется рабочая жидкость LDS (оранжевый цвет), пришедшая на смену жидкости LHM (зеленый цвет).

Стойка передней подвески объединяет гидроцилиндр и гидропневматический упругий элемент, между которыми расположен амортизаторный клапан, обеспечивающий гашений колебаний кузова.

Гидропневматический упругий элемент представляет собой металлическую сферу, которая внутри разделена эластичной многослойной мембраной. Над мембраной находится сжатый газ – азот, под мембраной – специальная жидкость. Жидкость передает давление в системе, а газ выступает упругим элементом.

На подвеске Hydractive 3+ устанавливается по одному упругому элементу на каждое колесо и по одной дополнительной сфере на каждую ось. Применение дополнительных упругих элементов значительно расширяет параметры регулирования жесткости подвески. Современные сферы имеют серый цвет и сохраняют работоспособность в пределе 200000 км пробега.

Гидравлические цилиндры предназначены для нагнетания жидкости в упругие элементы и регулирования высоты положения кузова относительно дорожного покрытия. Гидроцилиндр снабжен поршнем, шток которого соединен с соответствующим рычагом подвески. Задние гидропневматические цилиндры по конструкции аналогичны передним стойкам, но расположены под углом к горизонтальной плоскости.

Регулятор жесткости служит для изменения жесткости подвески. Он включает электромагнитный клапан регулирования жесткости, золотник, два дополнительных амортизаторных клапана. На регуляторе жесткости закреплена дополнительная сфера. Регулятор жесткости устанавливается на передней и задней подвеске. В мягком режиме подвески регулятор жесткости объединяет все гидропневматические упругие элементы между собой, при котором достигается максимальный объем газа. Электромагнитный клапан при этом обесточен. При подаче напряжения на электромагнитный клапан включается жесткий режим подвески, при котором стойки, задние цилиндры и дополнительные сферы изолируются друг от друга.

Система управления гидропневматической подвески включает входные устройства, электронный блок управления и исполнительные устройства.

К входным устройствам относятся входные датчики и переключатель режимов работы. Входные датчики преобразуют соответствующие характеристики в электрические сигналы. В гидропневматической подвеске Hydractive 3 используются датчики положения кузова по высоте и угловой датчик рулевого колеса. Датчик положения кузова по высоте представляет информацию о средней высоте кузова. На автомобили Citroen устанавливается 2 или 4 таких датчика. Датчик угла поворота рулевого колеса измеряет направление и скорость вращения рулевого колеса.Переключатель режимов работы обеспечивает ручное (принудительное) регулирование высоты кузова и жесткости гидропневматической подвески.

Электронный блок управления принимает сигналы от входных устройств. обрабатывает их в соответствии с заложенной программой и формирует управляющие воздействия на исполнительные устройства. В своей работе электронный блок управления взаимодействует с системой управления двигателем,антиблокировочной системой тормозов.

К исполнительным устройствам системы управления подвески Hydractive 3 относятся:

  1.  электродвигатель насоса;
  2.  электромагнитные клапаны регулирования высоты;
  3.  электромагнитные клапаны регулирования жесткости;
  4.  электрический корректор фар.

Электродвигатель под управлением изменяет скорость вращения, соответственно изменяется производительность насоса и давление в системе. В подвеске Hydractive 3 используется 4 электромагнитных клапана регулирования высоты - два на переднюю подвеску (впускной и выпускной) и два на заднюю подвеску (впускной и выпускной). Электромагнитные клапаны регулирования жесткости расположены в регуляторах жесткости.

Гидропневматическая подвеска Hydractive 3 обеспечивает:

  1.  автоматическое регулирование дорожного просвета;
  2.  автоматическое регулирование жесткости;
  3.  принудительное изменение дорожного просвета и жесткости.

Автоматическое регулирование дорожного просветаосуществляется в зависимости от скорости движения автомобиля, качества дорожного покрытия и стиля вождения конкретного человека. При движении по автомагистрали со скоростью более 110 км/ч высота кузова автоматически снижается на 15 мм. При плохих дорожных условиях и скорости ниже 60 км/ч клиренс автоматически увеличивается на 20 мм. В автомобиле автоматически поддерживается определенная высота кузова независимо от нагрузки (загрузки). Высота подъема кузова определяется объемом специальной жидкости, циркулируемой в контуре системы. Объем жидкости дозируется регулятором положения кузова. Работа гидропневматической подвески обеспечивает сохранение заданного уровня пола кузова при перемещении колес по неровному дорожному покрытию.

Автоматическое регулирование жесткости подвескиреализовано в расширенной версии подвески Hydractive 3+. Изменение режимов жесткости производится в зависимости от характера движения (ускорение, торможение, движение по прямой, в поворотах). Для принятия решения используются следующие параметры: скорость автомобиля, продольное и поперечное ускорение, изменение высоты. угол и скорость поворота рулевого колеса, изменение крутящего момента, изменение давления в тормозной системе. В зависимости от условий система автоматически воздействует на электромагнитный клапан регулятора жесткости и приводит подвеску в жесткий или мягкий режим. Изменение жесткости осуществляется как для отдельного упругого элемента (при повороте автомобиля), так и всей системы (при прямолинейном движении).

В конструкции гидропневматической подвески предусмотренопринудительное (ручное) изменение дорожного просвета, что в конкретных условиях обеспечивает преодоление препятствий, а также удобство погрузки (выгрузки) и уборки автомобиля. В расширенной версии подвески Hydractive 3+ вручную можно изменять и жесткость подвески.

Адаптивная подвеска

 

Адаптивная подвеска (другое наименование полуактивная подвеска) – разновидность активной подвески, в которой степень демпфирования амортизаторов изменяется в зависимости от состояния дорожного покрытия, параметров движения и запросов водителя. Под степенью демпфирования понимается быстрота затухания колебаний, которая зависит от сопротивления амортизаторов и величины подрессоренных масс. В современных конструкциях адаптивной подвески используется два способа регулирования степени демпфирования амортизаторов:

  1.  с помощью электромагнитных клапанов;
  2.  с помощью магнитно-реологической жидкости.

При регулировании с помощью электромагнитного регулировочного клапана изменяется его проходное сечение в зависимости от величины воздействующего тока. Чем больше ток, тем меньше проходное сечение клапана и соответственно выше степень демпфирования амортизатора (жесткая подвеска). С другой стороны, чем меньше ток, тем больше проходное сечение клапана, ниже степень демпфирования (мягкая подвеска). Регулировочный клапан устанавливается на каждый амортизатор и может располагаться внутри или снаружи амортизатора. Амортизаторы с электромагнитными регулировочными клапанами используются в конструкции следующих адаптивных подвесок:

  1.  Adaptive Chassis Control, DCC от Volkswagen;
  2.  Adaptive Damping System, ADS от Mersedes-Benz (в составепневматической подвески Airmatic Dual Control);
  3.  Adaptive Variable Suspension, AVS от Toyota;
  4.  Continuous Damping Control, CDS от Opel;
  5.  Electronic Damper Control, EDC от BMW (в составе активной подвески Adaptive Drive).

Магнитно-реологическая жидкость включает металлические частицы, которые при воздействии магнитного поля выстраиваются вдоль его линий. В амортизаторе, заполненном магнитно-реологической жидкостью, отсутствуют традиционные клапаны. Вместо них в поршне имеются каналы, через которые свободно проходит жидкость. В поршень также встроены электромагнитные катушки. При подаче на катушки напряжения частицы магнитно-реологической жидкости выстраиваются по линиям магнитного поля и создают сопротивление движению жидкости по каналам, чем достигается увеличение степени демпфирования (жесткости подвески). Магнитно-реологическая жидкость используется в конструкции адаптивной подвески значительно реже:

  1.  MagneRide от General Motors (автомобили Cadillac, Chevrolet);
  2.  Magnetic Ride от Audi.

Регулирование степени демпфирования амортизаторов обеспечиваетэлектронная система управления, которая включает входные устройства, блок управления и исполнительные устройства.

В работе системы управления адаптивной подвески используются следующие входные устройства:

  1.  переключатель режимов работы;
  2.  датчики дорожного просвета;
  3.  датчики ускорения кузова.

С помощью переключателя режимов работы производится настройка степени демпфирования адаптивной подвески. Датчик дорожного просвета фиксирует величину хода подвески на сжатие и на отбой. Датчик ускорения кузова определяет ускорение кузова автомобиля в вертикальной плоскости. Количество и номенклатура датчиков различается в зависимости от конструкции адаптивной подвески. Например, в подвеске DCC от Volkswagen устанавливается два датчика дорожного просвета и два датчика ускорения кузова впереди автомобиля и по одному - сзади.

Сигналы от датчиков поступают в электронный блок управления, где в соответствии с заложенной программой происходит их обработка и формирование управляющих сигналов на исполнительные устройства – регулировочные электромагнитные клапаны или электромагнитные катушки. В работе блок управления адаптивной подвески взаимодействует (использует информацию) с электронными блоками различны систем автомобиля: усилителя рулевого управлениясистемы управления двигателем,автоматической коробки передач, систем ABSESPACC.

В конструкции адаптивной подвески обычно предусмотрено три режима работы:

  1.  нормальный;
  2.  спортивный;
  3.  комфортный.

Режимы выбираются водителем в зависимости от потребности. В каждом режиме осуществляется автоматическое регулирование степени демпфирования амортизаторов в пределах установленной параметрической характеристики.

Показания датчиков ускорения кузова характеризуют качество дорожного покрытия. Чем больше неровностей на дороге, тем активнее раскачивается кузов автомобиля. В соответствии с этим система управления настраивает степень демпфирования амортизаторов.

Датчики дорожного просвета отслеживают текущую ситуацию при движении автомобиля: торможение, ускорение, поворот. При торможении передняя часть автомобиля опускается ниже задней, при ускорении – наоборот. Для обеспечения горизонтального положения кузова регулируемая степень демпфирования передних и задних амортизаторов будет различаться. При повороте автомобиля вследствие инерционной силы одна из сторон всегда оказывается выше другой. В данном случае система управления адаптивной подвески раздельно регулирует правые и левые амортизаторы, чем достигается устойчивость при повороте.

Таким образом, на основании сигналов датчиков блок управления формирует управляющие сигналы для каждого амортизатора в отдельности, что позволяет обеспечить максимальную комфортность и безопасность для каждого из выбранных режимов.

Зависимая подвеска

 

Зависимая подвеска представляет собой жесткую балку, связывающую между собой правое и левое колеса. В совокупности она образует неразрезной мост. Отличительной особенностью зависимой подвески является передача перемещения одного из колес в поперечной плоскости другому колесу (зависимость колес).

В настоящее время зависимая подвеска применяется на некоторых моделях внедорожников, коммерческих автомобилях, а также малотоннажных грузовых автомобилях. Зависимая подвеска используется в основном в качестве задней подвески, реже – на передней оси автомобиля.

Основными видами зависимой подвески являются:

  1.  подвеска на продольных рессорах;
  2.  подвеска с направляющими рычагами.

Схема зависимой подвески на продольных рессорах

Устройство зависимой подвески на продольных рессорах включает балку моста, подвешенную на двух продольных рессорах. Рессора состоит из одного или нескольких металлических листов овальной формы, скрепленных между собой. Соединение рессоры с балкой моста осуществляется с помощью специальных хомутов – стремянок. Концы рессоры крепятся к раме (несущему кузову) автомобиля посредством кронштейнов, один из которых (качающаяся серьга) имеет возможность продольного перемещения, другой (эластичная опора) снижает вибрации.

Продольная рессора воспринимает усилия в вертикальном, продольном и боковом направлениях, а также тормозной и реактивный моменты. Поэтому в подвески она выполняет функции упругого элемента, направляющего элемента, а в некоторых случаях и гасящего устройства (гашение колебаний за счет трения между листами рессоры).

Основным недостатком зависимой подвески на продольных рессорах является слабое противодействие боковым и продольным силам на больших скоростях, что приводит к смещению (уводу) моста и потере управляемости.

Схема зависимой подвески с направляющими рычагами

Данного недостатка лишеназависимая подвеска с направляющими рычагами. Самая распространенная схема данного вида зависимой подвески объединяет пять рычагов – четыре продольных и один поперечный. Рычаги одной стороной закреплены на балке моста, другой – на раме (несущем кузове) автомобиля.

Рычаги обеспечивают восприятие вертикальных, продольных и боковых усилий. В качестве упругого элемента используется, как правило, витая пружина. Гасящее устройство – амортизатор.

Поперечный рычаг препятствует смещению оси автомобиля от воздействия боковых сил. Рычаг носит собственное имя – тяга Панара. Конструктивно тяга Панара может быть выполнена сплошной или разрезной. Разрезная (регулируемая) тяга Панара, помимо основной функции, позволяет изменять положение (высоту) моста относительно кузова, путем регулирования длины.

Тяга Панара в силу своей конструкции по разному работает при прохождении автомобилем правых и левых поворотов, чем создает определенные проблемы с управляемостью. Более совершенными устройствами, обеспечивающими равномерное противодействие боковым силам в зависимой подвеске, являются:

  1.  механизм Уатта;
  2.  механизм Скотта-Рассела.

Механизм Уатта (в другой транскрипции - механизм Ватта) состоит из двух горизонтальных рычагов, шарнирно прикрепленных к концам вертикального рычага. Вертикальный рычаг, в свою очередь, закреплен в центре балки моста и имеет возможность вращения. Неравномерность движения в поворотах, присущая тяге Панара, в механизме Уатта компенсируется поворотом вертикального рычага.

Механизм Скотта-Расселаобъединяет два рычага - длинный и короткий. Длинный рычаг одним концом шарнирно соединен с кузовом автомобиля, другим – с балкой моста. Короткий рычаг связывает среднюю часть длинного рычага с противоположным концом балки моста.

Особенностью механизма Скотта-Рассела является возможность некоторого перемещения длинного рычага за счет эластичного крепления к балке моста, чем достигается улучшение управляемости и курсовой устойчивости.

Схема подвески Де Дион

Промежуточное положение между зависимой и независимой подвесками занимает подвеска Де Дион (по имени изобретателя графа Альбера де Диона). Конструктивно подвеска Де Дион включает подпружиненную неразрезную балку. При этом дифференциал жестко закреплен на раме (несущем кузове) и в состав моста не входит. Передача вращения на ведущие колеса осуществляется через качающиеся ведущие валы. Тормозные механизмы устанавливаются непосредственно на выходах дифференциала.

При такой компоновке неподрессоренными остаются только ступицы колес и сами колеса, что способствует плавности хода и безопасность движения автомобиля. Ввиду высокой стоимости подвеска Де Дион применяется достаточно редко, в основном на спортивных автомобилях.

Стабилизатор поперечной устойчивости

 

При повороте центробежная сила наклоняет автомобиль, со стороны наружных колес увеличивается нагрузка, со стороны внутренних – уменьшается и, как следствие, наблюдается крен и раскачивание кузова. Все это может привести к опрокидыванию автомобиля. Для уменьшения кренов в поворотах применяется стабилизатор поперечной устойчивости.

Стабилизатор поперечной устойчивости является частью автомобильной подвески, соединяющей противоположные колеса с помощью упругого элемента торсионного типа (работает на скручивание). В настоящее время стабилизатор поперечной устойчивости обязательный элемент различных видов независимой подвески легковых автомобилей. Стабилизатор устанавливается как на передней, так и на задней оси автомобиля. В легковых автомобилях, использующих в качестве задней подвески торсионную балку, стабилизатор поперечной устойчивости не устанавливается. Его функции выполняет сама подвеска.

Конструктивно стабилизатор поперечной устойчивости представляет собой стержень (штангу) круглого сечения, имеющий П-образную форму. Стабилизатор изготавливается из пружинной стали. Он располагается поперек кузова автомобиля и крепится к нему в двух местах с помощью резиновых втулок и хомутов. Втулки позволяют стабилизатору вращаться. Стабилизатор имеет, как правило, сложную форму, которая учитывает положение узлов и агрегатов автомобиля, расположенных под днищем кузова.

Концы стабилизатора поперечной устойчивости шарнирно соединяются с элементами подвески автомобиля – рычагами (многорычажная подвескаподвеска на двойных поперечных рычагах), амортизаторными стойками (подвеска McPherson). Соединение стабилизатора с подвеской может быть как непосредственным, так и с помощью двух тяг (стоек). Наибольшее распространение получило соединение с помощью тяг.

Работа стабилизатора поперечной устойчивости основана на перераспределении нагрузки между упругими элементами подвески. При боковом крене (поперечных угловых колебаниях) концы стабилизатора (тяги) перемещаются в разные стороны (один поднимается, другой опускается). Средняя часть стабилизатора закручивается. Со стороны крена стабилизатор пытается как–бы приподнять кузов, с другой – опустить. Чем больше крен кузова, тем сильнее сопротивление стабилизатора. Таким образом, обеспечивается выравнивание автомобиля по отношению к плоскости дороги. Помимо снижения крена, достигается улучшение сцепных свойств шин в повороте.

Необходимо отметить, что в силу свое конструкции стабилизатор поперечной устойчивости не препятствует вертикальным и продольным угловым колебаниям подвески автомобиля. Так, при вертикальных колебаниях левое и правое колеса движутся вместе, а стабилизатор проворачивается во втулках.

Эффективная работа стабилизатора поперечной устойчивости обеспечивается его жесткостью. Жесткость стабилизатора определяется свойствами материала, формой, геометрией крепления. Чем жестче стабилизатор, тем большую нагрузку он переносит с внешнего колеса и соответственно более крутые повороты может позволить автомобилю. Устанавливая на переднюю и заднюю ось автомобиля стабилизаторы разной жесткости можно изменять тяговые свойства на осях, тем самым достигать желаемый баланс управления (избыточная или недостаточная поворачиваемость автомобиля).

При всех очевидных преимуществах стабилизатор поперечной устойчивости имеет ряд недостатков. Его применение приводит к частичной потере свойств независимой подвески – передаче ударов с одного колеса на другое, уменьшение хода подвески. В идеале при прямолинейном движении автомобиля стабилизатор поперечной устойчивости не нужен.

Кардинально данную проблему решаетадаптивная подвеска, позволяющая полностью отказаться от стабилизатора поперечной устойчивости. Дальше всех в этом вопросе пошел Mercedes-Benz, разработав и внедрив на своих автомобилях систему активного контроля кузова (Active Body Control, ABC). Электронная система АВС позволяет контролировать положение кузова, исключающее крены, в различных условиях движения, в том числе при повороте, ускорении и торможении.

Стабилизатор поперечной устойчивости ухудшает проходимость внедорожников. При движении по бездорожью стабилизатор может привести к вывешиванию колеса и потере его контакта с дорогой. Борются с данной проблемой несколькими способами.

Самый распространенный способ – использование в качестве стойки стабилизатора гидроцилиндра. В нормальном положении гидроцилиндр заперт, стабилизатор выполняет свои функции в полном объеме. При необходимости движения по бездорожью гидроцилиндр разблокируется с помощью кнопки на панели приборов, стабилизатор поперечной устойчивости отключается. Для предотвращения опрокидывания при достижении определенной скорости движения предусмотрено автоматическое включение стабилизатора (блокировка гидроцилиндра).

Более сложную систему управления стабилизатором поперечной устойчивости предлагает фирма TRW. Система включает датчик бокового ускорения, блок управления, гидронасос и гидроцилиндры в качестве стоек стабилизатора. При прямолинейном движении гидронасос выключен, стабилизатор разблокирован, подвеска работает в комфортном режиме. При повороте блок управления включает насос, в гидроцилиндрах создается давление, стабилизатор поперечной устойчивости блокируется. Регулируя величину давления в гидроцилиндре, система управляет жесткостью стабилизатора в соответствии с режимом движения.

Компания Toyota разработала иную систему управления стабилизаторами поперечной устойчивости, которую с 2004 года устанавливает на свои внедорожники. Система кинетической стабилизации подвески (Kinetic Dynamic Suspension System, KDSS) представляет собой замкнутый гидравлический контур, объединяющий два гидроцилиндра, гидроаккумулятор, клапаны, блок управления и датчики. В отличие от предыдущей системы гидроцилиндры в системе KDSS соединяют стабилизатор поперечной устойчивости с кузовом.

При движении по шоссе клапаны закрыты, жидкость в системе не движется, поршни в гидроцилиндрах заблокированы, передний и задний стабилизаторы жестко связаны с кузовом и выполняют свои функции в полном объеме. Движение по неровной дороге приводит к частичному открытию клапанов, разблокированию гидроцилиндров, что приводит к снижению колебаний (тряски) кузова. На бездорожье жидкость свободно перемещается в системе, стабилизатор поперечной устойчивости полностью отключен.

Колесо автомобиля

 

Колесо, являясь элементом ходовой части, связывает автомобиль с дорогой. С помощью колес осуществляется движение, передаются вертикальные нагрузки от автомобиля, воспринимаются удары и колебания от дороги. Кроме того, ведущие колеса создают при контакте с дорогой тяговое усилие, управляемые колеса обеспечивают маневрирование. Таким образом, от колеса, в конечном счете, зависит управляемость и устойчивость автомобиля.

Автомобильное колесо состоит из двух составных частей – колесного диска и шины.

Колесный диск

Колесный диск служит основой для установки шины и передачи на нее вращения от оси. Конструктивно объединяет собственно диск и обод. Различают два типа колесных дисков – стальные и легкосплавные. В стальном диске обод и диск соединены между собой сваркой. Легкосплавный диск представляет единое целое.

Колесный диск закрепляется на оси колеса с помощью ступицы. Крепление может быть болтовое (легковые автомобили) или шпилечное (грузовые автомобили). Для соединения в диске выполнение несколько (4-6 у легковых автомобилей) крепежных отверстий. Объем внутренней части диска определяет конструкцию применяемого тормозного механизма.

Обод служит для соединения шины с диском. Обод имеет сложную поперечную форму, которая обеспечивает установку шины соответствующего размера. Обод легковых автомобилей имеет утопленный центр, слева и справа от которого последовательно располагаются кольцевой выступ (hump, хамп), полка и борт (закраина).

Кольцевой выступ фиксирует шину на ободе. На полке располагается борт шины. Посадка шины осуществляется в основном на внешнюю полку, но есть конструкции колес с внутренней полкой (шина охватывает обод). Полка может иметь три размера: стандартный, плоский и расширенный (используется всистеме Run Flat). Полка плавно переходит в борт, который в профиле имеет различную форму. Наиболее распространены J-образные борта.

Колесный диск характеризуется следующими основными параметрами:

  1.  ширина обода (расстояние между полками);
  2.  диаметр диска (измеряется по уровню полок);
  3.  вылет (выступ) колеса (расстояние от воображаемого центра диска до плоскости контакта со ступицей).

Автомобильная шина

Автомобильная шина выполняет самые ответственные функции, обеспечивая сцепление автомобиля с дорогой и во многом, определяя управляемость и устойчивость автомобиля. Помимо этого шина выдерживает вес автомобиля.

На легковые автомобили устанавливают в основном бескамерные шины, т.е. шины которые имеет только покрышку. Герметичность бескамерной шины достигается за счет конструкции покрышки. Бескамерная шина (покрышка) состоит из нескольких связанных элементов: каркаса, брекера, протектора, боковины и борта.

Устройство бескамерной шины

Каркас является силовой частью шины. Он воспринимает внутреннее давление воздуха, а также передает давление от внешних сил. Каркас состоит из нескольких (от 1 до 10) слоев прорезиненного корда. Нити корда изготавливаются из синтетического волокна, стекловолокна или стали (металлокорд). Корд натянут от одного края шины до другого, т.е. радиально. Такое расположение корда снижает напряжение в нитях и обеспечивает низкое сопротивление качению. Абсолютное большинство современных автомобилей комплектуется радиальными шинами.

Брекер представляет собой слои корда, расположенные между каркасом и протектором. Он предотвращает отслоение протектора, амортизирует ударные нагрузки и повышает прочность каркаса.

Наружная часть покрышки называется протектор. Он обеспечивает сцепление шины с дорогой и защищает ее от повреждения. Протектор состоит из массивного слоя резины и снаружи имеет рельефный рисунок. Рисунок протектора определяет способность шины к работе в определенных условиях.

Протектор плавно переходит в боковины. Место соединения протектора с боковиной носит название плечо протектора. Плечо увеличивает боковую жесткость шины, определяет способность воспринимать боковые нагрузки. Боковина имеет небольшую толщину. На боковину нанесена маркировка шины, включающая:

Элемент маркировки

Пример

типоразмер

195/65 R15 91T

в том числе: 
  ширина в мм;
  отношение высоты к ширине в %;
  конструкция шины;
  диаметр в дюймах;
  индекс нагрузки;

            индекс скорости

 

195 
65 
R (Radial)
15 
91
T

производитель

Michelin

модель

Energy

направление вращения

(для направленной шины)

Rotation

сторона

(для асимметричной шины)

Outside (Inside)

требования по максимальной нагрузке

Max load 497 kg

требования по максимальному давлению

Max pressure 300 kPa

бескамерная шина

Tubeless

дата выпуска (неделя, год)

2612

страна производитель

Made in France

ряд других

 

 

Боковина шины заканчивается бортом, который служит для ее крепления и герметизации на ободе колеса. Основу борта составляет нерастяжимое кольцо, придающее соединению жесткость и прочность.

В зависимости от условий эксплуатации (по характеру рисунка протектора) различают следующие типы шин: летние (дорожные), повышенной проходимости (внедорожные), универсальные (дорожно-внедорожные), зимние (шипованные и нешипуемые), всесезонные.

Рисунок протектора шины может быть симметричный (ненаправленный), направленный и асимметричный.

Шины с симметричным рисунком протектора самые распространенные. Их параметры наиболее сбалансированы. Шины в большей степени приспособлены к эксплуатации на сухой дороге.

Шины с направленным рисунком протектора имеют наивысшие эксплуатационные свойства. Направленный рисунок протектора обеспечивает улучшенный отвод воды (снега) от пятна контакта.

Шина с асимметричным протектором позволяет реализовать в одной покрышке противоположные свойства – достойную управляемость на сухой дороге (ненаправленная часть) и надежность на влажной дороге (направленная часть).

 

Протектор шины подвергается постоянному износу. Степень износа во многом определяет длину тормозного пути. Это утверждение особенно актуально для движения по мокрой дороге. Установлено, что 1 мм износа протектора шины увеличивает тормозной путь в среднем на 10-15%.

Поведение шины на дороге определяется рядом других параметров, таких как скорость, нагрузка на колесо, характеристики шины (ширина, рисунок протектора, состав резины), состояние дорожного полотна. Во избежание аквапланирования на мокрой дороге помимо указанных параметров необходимо учитывать толщину водяного слоя. На скользкой дороге большое значение имеют температура наружного воздуха и характер льда (снега).

Всем водителям шершавой дороги!

Шины Run Flat

 

Run Flat называется система, позволяющая автомобилю перемещаться при проколе шины. В настоящее время система реализуется по трем направлениям – в виде несущих, поддерживающих и самогерметизирующихся шин.

Несущие шины

Когда говорят о шинах Run Flat, подразумевают несущие шины. Несущая шина имеет усиленные боковину, каркас и бортовое кольцо, что позволяет при потере давления удерживать шину на диске, воспринимать вес автомобиля и обеспечивать достаточное сцепление с дорогой.

Движение на спущенном колесе сопровождается нагревом шины. Для предотвращения нагрева в конструкции шины используется особый термостойкий состав резины. В ряде конструкций на боковине шины выполняются ребра, увеличивающие площадь поверхности и улучшающие охлаждение.

Для установки шин Run Flat используется колесный диск с увеличенной полкой. Шины позволяют автомобилю перемещаться при потере давления в одной или нескольких шинах со скоростью до 80 км/ч на расстояние 50-150 км. Обязательным условием использования шин Run Flat является наличие в автомобиле системы курсовой устойчивости и системы контроля давления в шинах.

Несущие шины (шины нулевого давления) предлагают большинство ведущих производителей шин: Michelin, Bridgestone, Goodyear, Dunlop, Continental, Pirelli, Nokia, Kumho, Yokohama. Комплект шин Run Flat с учетом отсутствующего запасного колеса дороже обычных шин на 20-30%.

Необходимо отметить, что при всех преимуществах автопроизводители неохотно применяют шины Run Flat на своих моделях. Исключение составляет компания BMW, которая сделала шины Run Flat одним из своих конкурентных преимуществ.

Поддерживающие шины

Поддерживающая шина представляют собой обычную шину. Поддерживающий эффект достигается за счет эластичного кольца, посаженного на обод колесного диска. При потере давления в шине, автомобиль опирается на поддерживающее кольцо. Это позволяет перемещаться со скоростью до 90 км/ч на расстояние до 160 км.

Разработчиком данной технологии является компания Michelin, которая предложила шины PAX в 1995 году. Шина PAX предполагает использование колесного диска специальной формы, что значительно увеличивает стоимость системы. Шины отличает и сложность монтажа-демонтажа, требующего специального оборудования.

Ввиду низкого спроса производство шин по технологии PAX с 2007 года приостановлено.

Самогерметизирующиеся шины

Наиболее доступной для потребителя является технология самогерметизирующихся шин. Такая шина содержит внутри дополнительный слой из герметизирующего материала (полиамида), который обеспечивает заделку небольшого отверстия (до 5 мм) при его возникновении.

Система позволяет автомобилю двигаться при проколе шины без остановки. При этом отверстие в шине затягивается, даже если колющий предмет его покинул. Самогерметизирующиеся шины предлагают компании Continental, Pirelli.

Аналогичный эффект можно достичь, купив специальный герметик в автомагазине. Герметик в газообразном состоянии вводят через вентиль. При вращении центробежные силы распределяют вещество по внутренней поверхности шины, на которой образуется герметизирующий слой.

Рулевое управление

 

Рулевое управление предназначено для обеспечения движения автомобиля в заданном водителем направлении и наряду с тормозной системой является важнейшей системой управления автомобилем. На большинстве легковых автомобилей изменение направления движения осуществляется за счет поворота передних колес (кинематический способ поворота). Изменить направление движения можно и за счет подтормаживания отдельных колес. Силовой способ поворота положен в основу работы системы курсовой устойчивости.

Рулевое управление современного автомобиля имеет следующее устройство:

  1.  рулевое колесо с рулевой колонкой;
  2.  рулевой механизм;
  3.  рулевой привод.

Схема рулевого управления

Рулевое колесо воспринимает от водителя усилия, необходимые для изменения направления движения, и передает их через рулевую колонку рулевому механизму. Рулевое колесо выполняет также и информационную функцию. По величине усилий, характеру вибраций происходит передача водителю информации о характере движения. Диаметр рулевого колеса легковых автомобилей находится в пределе 380 - 425 мм, грузовых автомобилей – 440 – 550 мм. Рулевое колесо спортивных автомобилей имеет меньший диаметр.

Рулевая колонка обеспечивает соединение рулевого колеса с рулевым механизмом. Рулевая колонка представлена рулевым валом, имеющим несколько шарнирных соединений. В конструкции рулевой колонки предусмотрена возможность складывания при сильном фронтальном ударе, что позволяет снизить тяжесть травмирования водителя. На современных автомобилях предусмотрено механическое или электрическое регулирование положения рулевой колонки. Регулировка может производиться по вертикали, по длине или в обоих направлениях. В целях защиты от угона осуществляется механическая или электрическая блокировка рулевой колонки.

Рулевой механизм предназначен для увеличения, приложенного к рулевому колесу усилия, и передачи его рулевому приводу. В качестве рулевого механизма используются различные типы редукторов, которые характеризуются определенным передаточным числом. Наибольшее распространение на легковых автомобилях получил реечный рулевой механизм.

Реечный рулевой механизм включает шестерню, установленную на валу рулевого колеса и связанную с зубчатой рейкой. При вращении рулевого колеса рейка перемещается в одну или другую сторону и через рулевые тяги поворачивает колеса. В ряде конструкций рулевого механизма применяется рейка с переменным шагом зубьев (в средней части зубья нарезаны с меньшим шагом). Это обеспечивает легкое маневрирование автомобиля при парковке. Реечный рулевой механизм располагается, как правило, в подрамнике подвески автомобиля.

Ряд автопроизводителей (BMW, Honda, Mazda, Mitsubishi, Nissan, Renault, Toyota,) предлагают на некоторых легковых автомобилях рулевые механизмы с четырьмя управляемыми колесами. Данное техническое решение обеспечивает лучшую управляемость и устойчивость при движении автомобиля на высокой скорости (при этом передние и задние колеса повернуты в одну сторону), а также высокую маневренность при движении с небольшой скоростью (передние и задние колеса повернуты в разные стороны).

Необходимо отметить, что эффект «подруливания» задних колес при движении автомобиля на высокой скорости достигается и пассивными средствами. При повороте автомобиля резинометаллические упругие элементы задней подвески деформируются за счет крена кузова и воздействия боковых сил, тем самым обеспечивают незначительные углы поворота колес.

Рулевой привод предназначен для передачи усилия, необходимого для поворота, от рулевого механизма к колесам. Он обеспечивает оптимальное соотношение углов поворота управляемых колес, а также препятствует их повороту при работе подвески. Конструкция рулевого привода зависит от типа применяемой подвески.

Наибольшее распространение получил механический рулевой привод, состоящий из рулевых тяг и рулевых шарниров. Рулевой шарнир выполняется шаровым. Шаровой шарнир состоит из корпуса, вкладышей, шарового пальца и защитного чехла. Для удобства эксплуатации шаровой шарнир выполнен в виде съемного наконечника рулевой тяги. По своей сути рулевая тяга с шаровой опорой выступает дополнительным рычагом подвески.

Рулевое управление характеризуется множеством кинематических параметров, основными из которых являются четыре угла (схождения, развала, поперечного и продольного наклона оси поворота колеса) и два плеча (обкатки и стабилизации). В общем виде конструкция рулевого управления представляет собой компромисс кинематических параметров, т.к. вынуждена объединять противоречащие друг другу устойчивость движения и легкость управления.

Для уменьшения усилий, необходимых для поворота рулевого колеса, в рулевом приводе применяется усилитель рулевого управления. Применение усилителя обеспечивает точность и быстродействие рулевого управления, снижает общую физическую нагрузку на водителя, а также позволяет устанавливать рулевые механизмы с меньшим передаточным числом. В зависимости от типа привода различают следующие виды усилителей рулевого управления: гидравлический, электрический и пневматический.

Большинство современных автомобилей имеют гидравлический усилитель рулевого управления (другое название – гидроусилитель руля). Разновидностью гидроусилителя является электрогидравлический усилитель рулевого управления, в котором гидронасос имеет привод от электродвигателя. В последние годы на автомобилях все шире применяется электрический усилитель рулевого управления (другое название – электроусилитель руля). Крутящий момент от электродвигателя может передаваться непосредственно на вал рулевого колеса или на зубчатую рейку. Электроника позволяет использовать электроусилитель руля для автоматического управления автомобилем, например в системе автоматической парковкисистеме помощи движению по полосе.

Усилитель рулевого управления, в котором поворотное усилие изменяется в зависимости от скорости автомобиля, называется адаптивным усилителем рулевого управления. Известной конструкцией адаптивного усилителя рулевого управления является электрогидравлический усилитель Servotronic.

Инновационными являются система активного рулевого управленияот BMW, система динамического рулевого управления от Audi, в которых передаточное число рулевого механизма изменяется в зависимости от скорости движения автомобиля. Компания BMW добавила в рулевой вал сдвоенный планетарный редуктор, корпус которого может поворачиваться с помощью электродвигателя и в зависимости от скорости движения автомобиля менять передаточное отношение рулевого механизма.

Перспективной является конструкция рулевого управления, в которой отсутствует механическая связь рулевого колеса и ведущих колес, т.н. рулевое управление по проводам. Система обеспечивает независимое воздействие на каждое колесо с помощью электропривода. Серийное применение рулевого управления по проводам сдерживает скорее психологический фактор, связанный с высоким риском аварии в случае отказа системы.

Система активного рулевого управления

 

Система активного рулевого управления (Active Front Steering, AFS) предназначена для:

  1.  изменения передаточного отношения рулевого механизма в зависимости от скорости движения;
  2.  корректирования угла поворота передних колес при прохождении поворотов и торможении на скользком покрытии.

Система AFS является совместной разработкой фирм Bosch и ZF. В настоящее время система устанавливается на большинство моделей автомобилей BMW в качестве опции и является фирменным атрибутом данной марки. Конкурентными преимуществами данной системы являются повышение комфорта и безопасности при эксплуатации автомобиля.

Система активного рулевого управления в своей работевзаимодействует с другими системами, в т.ч. с гидроусилителем руля Servotronicсистемой динамической стабилизации DSC.

Система AFS имеет следующее общее устройство:

  1.  планетарный редуктор;
  2.  система управления.

Схема системы активного рулевого управления

Планетарный редуктор служит для изменения скорости вращения рулевого вала. Он устанавливается на рулевом валу. Планетарный редуктор включает солнечную шестерню, блок сателлитов и коронную (эпициклическую) шестерню. На входе рулевой вал соединен с солнечной шестерней, на выходе – с блоком сателлитов.

Эпициклическая шестерня имеет возможность вращения. При неподвижной шестерне передаточное число планетарного редуктора равно единице и рулевой вал передает вращение напрямую. Вращение эпициклической шестерни в одну или другую сторону позволяет увеличить или уменьшить передаточное число планетарной передачи, чем достигается изменение передаточного отношения рулевого механизма. Вращение шестерни обеспечивает электродвигатель, соединенный с ее внешней стороной посредством червячной передачи.

Для реализации функций системы активного рулевого управления создана система управления. Электронная система управления включает следующие элементы:

  1.  входные датчики;
  2.  электронный блок управления;
  3.  исполнительные устройства.

Входные датчики предназначены для измерения параметров работы системы и преобразования их в электрические сигналы. Система AFS в своей работе использует следующие датчики:

  1.  датчик положения электродвигателя;
  2.  датчик суммарного угла поворота;
  3.  датчик угла поворота рулевого колеса;
  4.  датчики системы динамической стабилизации (скорости вращения автомобиля вокруг вертикальной оси и вертикального ускорения).

Датчик суммарного угла поворота рулевого механизма может не устанавливаться, в этом случае угол рассчитывается виртуально на основании сигналов других датчиков.

Электронный блок управления принимает сигналы от датчиков, обрабатывает их и в соответствии с заложенным алгоритмом формирует управляющие воздействия на исполнительные устройства. Электронный блок управления имеет соединение и осуществляет взаимодействие с блоками управления других систем автомобиля:

  1.  системы Servotronic;
  2.  системы динамической стабилизации DSC;
  3.  системы управления двигателем;
  4.  системы доступа в автомобиль.

Исполнительными механизмами системы AFS являются:

  1.  электродвигатель;
  2.  сигнальная лампа на панели приборов.

Электродвигатель обеспечивает вращение эпициклической шестерни планетарного редуктора. Электродвигатель оборудованаварийным электромагнитным фиксатором, блокирующим червячную передачу. В исходном положении передача заблокирована. При подаче тока на электродвигатель, срабатывает электромагнит, и фиксатор, преодолевая усилие пружины, освобождает ротор электродвигателя. При возникновении неисправности в системе AFS, прекращается подача тока на электродвигатель, фиксатор блокирует червячную передачу.

Возникновение неисправностей в системе сопровождается срабатыванием сигнальной лампы на панели приборов. При этом на информационном дисплее появляется сообщение системы самодиагностики.

Принцип работы системы активного рулевого управления

Система AFS активируется при запуске двигателя. Работа системы заключается в изменении передаточного отношения рулевого механизма в зависимости от скорости и условий движения.

При совершении маневров на низкой скорости в соответствии с сигналом датчика угла поворота рулевого колеса включается электродвигатель. Электродвигатель через червячную пару передает вращение на эпициклическую шестерню планетарного редуктора. Вращение шестерни в определенном направлении с максимальной скоростью обеспечивает наименьшее передаточное отношение рулевого механизма, которое достигает значения 1:10. При этом руль становиться острым, уменьшается число оборотов рулевого колеса от упора до упора, чем достигается высокий комфорт в управлении.

С ростом скорости движения выполнение поворотов сопровождается уменьшением частоты вращения электродвигателя, соответственно увеличивается передаточное отношение рулевого механизма. На скорости 180-200 км/ч передаточное отношение достигает оптимального значения 1:18. Электродвигатель при этом перестает вращаться, а усилие от рулевого колеса передается на рулевой механизм напрямую.

С дальнейшим ростом скорости электродвигатель снова включается, при этом вращение производится в противоположную сторону. Передаточное отношение рулевого механизма может достигать величины 1:20. При данном передаточном отношении рулевое управление обладает наименьшей остротой, увеличивается число оборотов рулевого колеса от упора до упора, тем самым обеспечивается безопасность маневрирования на высоких скоростях.

Если при прохождении поворота фиксируется избыточная поворачиваемость автомобиля (потеря сцепления задних колес с дорогой) система AFS на основании сигналов датчиков системы DSC самостоятельно корректирует угол поворота передних колес. В результате чего сохраняется курсовая устойчивость автомобиля. В случае, когда система активного рулевого управления не может полностью обеспечить устойчивость автомобиля, подключается система динамической стабилизации.

Аналогичным образом система активного рулевого управления стабилизирует движение автомобиля при торможении на скользком покрытии, чем достигается повышение эффективности антиблокировочной системы тормозов ABS и сокращение тормозного пути.

Система активного рулевого управления постоянно включена и не имеет возможности отключения.

Рулевой механизм

 

Рулевой механизм является основой рулевого управления, где он выполняет следующие функции:

  1.  увеличение усилия, приложенного к рулевому колесу;
  2.  передача усилия рулевому приводу;
  3.  самопроизвольный возврат рулевого колеса в нейтральное положение при снятии нагрузки.

По своей сути рулевой механизм является механической передачей (редуктором), поэтому основным его параметром являетсяпередаточное число.

В зависимости от типа механической передачи различают следующие типы рулевых механизмов:

  1.  реечный;
  2.  червячный;
  3.  винтовой.

Реечный рулевой механизм

Реечный рулевой механизм является самым распространенным типом механизма, устанавливаемым на легковые автомобили. Реечный рулевой механизм имеет следующее устройство: шестерня, рулевая рейка. Шестерня устанавливается на валу рулевого колеса и находится в постоянном зацеплении с рулевой (зубчатой) рейкой.

Схема реечного рулевого механизма

Работа реечного рулевого механизма осуществляется следующим образом. При вращении рулевого колеса рейка перемещается вправо или влево. При движении рейки перемещаются присоединенные к ней тяги рулевого привода и поворачивают управляемые колеса.

Реечный рулевой механизм отличает простота конструкции, соответственно высокий КПД, а также высокая жесткость. Вместе с тем, данный тип рулевого механизма чувствителен к ударным нагрузкам от дорожных неровностей, склонен к вибрациям. В силу своих конструктивных особенностей реечный рулевой механизм устанавливается на переднеприводных автомобилях с независимой подвеской управляемых колес.

Червячный рулевой механизм

Червячный рулевой механизм состоит из глобоидного червяка (червяка с переменным диаметром), соединенного с рулевым валом, и ролика. На валу ролика вне корпуса рулевого механизма установлен рычаг (сошка), связанный с тягами рулевого привода.

Вращение рулевого колеса обеспечивает обкатывание ролика по червяку, качание сошки и перемещение тяг рулевого привода, чем достигается поворот управляемых колес.

Червячный рулевой механизм обладает меньшей чувствительностью к ударным нагрузкам, обеспечивает большие углы поворота управляемых колес и соответственно лучшую маневренность автомобиля. С другой стороны червячный механизм сложен в изготовлении, поэтому дорог. Рулевое управление с таким механизмом имеет большое число соединений, поэтому требует периодической регулировки.

Червячный рулевой механизм применяется на легковых автомобилях повышенной проходимости с зависимой подвеской управляемых колес, легких грузовых автомобилях и автобусах. Ранее такой тип рулевого механизма устанавливался на отечественной «классике».

Винтовой рулевой механизм

Винтовой рулевой механизм объединяет следующие конструктивные элементы:

  1.  винт на валу рулевого колеса;
  2.  гайку, перемещаемую по винту;
  3.  зубчатую рейку, нарезанную на гайке;
  4.  зубчатый сектор, соединенный с рейкой;
  5.  рулевую сошку, расположенную на валу сектора.

Схема винтового рулевого механизма

Особенностью винтового рулевого механизма является соединение винта и гайки с помощью шариков, чем достигается меньшее трение и износ пары.

Принципиально работа винтового рулевого механизма схожа с работой червячного механизма. Поворот рулевого колеса сопровождается вращением винта, который перемещает надетую на него гайку. При этом происходит циркуляция шариков. Гайка посредством зубчатой рейки перемещает зубчатый сектор и с ним рулевую сошку.

Винтовой рулевой механизм в сравнении с червячным механизмом имеет больший КПД и реализует большие усилия. Данный тип рулевого механизма устанавливается на отдельных легковых автомобилях представительского класса, тяжелых грузовых автомобилях и автобусах.

Гидроусилитель рулевого управления

 

Гидроусилителем рулевого управления (обиходное название –гидроусилитель руля) называется конструктивный элемент рулевого управления автомобиля, в котором дополнительное усилие при повороте рулевого колеса создается с помощью гидравлического привода. Гидроусилитель руля является самым распространенным видом усилителя рулевого управления.

Простейший гидроусилитель руля имеет привод гидронасоса отколенчатого вала двигателя. У такого усилителя производительность прямо пропорциональна частоте вращения колнечатого вала двигателя, что противоречит реальным потребностям рулевого управления (при максимальной скорости движения требуется минимальный коэффициент усиления, и наоборот).

Наиболее совершенным с точки зрения потребительских свойств и конструкции являетсяэлектрогидравлический усилитель руля. Преимуществами электрогидравлического усилителя являются компактность, возможность функционирования на неработающем двигателе, экономичность за счет включения в нужный момент. В конструкции данного гидроусилителя предусмотрена возможность электронного регулирования коэффициента усиления. Поэтому, наряду с комфортностью управления усилитель может обеспечить легкость маневрирования на малых скоростях, что недоступно обычному гидроусилителю.

Электрогидравлический усилитель рулевого управления имеет следующее устройство:

  1.  насосный агрегат;
  2.  гидравлический узел управления;
  3.  система управления.

Схема электрогидравлического усилителя руля

Насосный агрегат представляет собой объединенный блок, включающий гидравлический насос, электродвигатель насоса и бачок для рабочей жидкости. На насосный агрегат устанавливаетсяэлектронный блок управления.

Гидравлический насос может быть лопастного или шестеренного типа. Наиболее простым и надежным является шестеренный насос.

Гидравлический узел управления является исполнительным механизмом усилителя руля. Он включает:

  1.  торсион с поворотным золотником и распределительной гильзой;
  2.  силовой цилиндр с поршнем.

Гидравлический узел управления объединен с рулевым механизмом. Шток поршня силового цилиндра является продолжением рейки рулевого механизма.

Система управления обеспечивает работу гидроусилителя. На современных автомобилях используется электронная система управления, которая обеспечивает регулирование коэффициента усиления в зависимости от скорости поворота рулевого колеса и скорости движения автомобиля. Усилитель с такими характеристиками называется адаптивным усилителем рулевого управления.

На автомобилях концерна Volkswagen и BMW электронная система управления гидравлическим усилителем руля имеет торговое название Servotronic.

Система Servotronic включает:

  1.  входные датчики;
  2.  электронный блок управления;
  3.  исполнительное устройство.

Входными датчиками системы являются датчик усилителя руля (датчик угла поворота рулевого колеса – на автомобилях, оборудованных ESP), датчик спидометра. Помимо датчиков, система использует информацию о частоте вращения коленчатого вала двигателя, поступающую от системы управления двигателем.

Электронный блок управления гидроусилителем руля принимает и обрабатывает сигналы датчиков и в соответствии с установленной программой воздействует на исполнительное устройство.

В разных модификациях системы Servotronic используются следующие исполнительные устройства:

  1.  электродвигатель насоса;
  2.  электромагнитный клапан в гидросистеме.

В первом случае изменение производительности гидроусилителя осуществляется за счет изменения скорости вращения электродвигателя. Во-втором, за счет изменения проходного сечения гидросистемы (открытие-закрытие клапана).

Работа гидроусилителя руля

При прямолинейном движении автомобиля гидравлический узел управления обеспечивает циркуляцию жидкости по кругу (от насоса по каналам напрямую в бачек).

При повороте рулевого колеса происходит закрутка торсиона, которая сопровождается поворотом золотника относительно распределительной гильзы. По открывшимся каналам жидкость поступает в одну из полостей (в зависимости от направления поворота) силового цилиндра. Из другой полости силового цилиндра жидкость по открывшимся каналам сливается в бачек. Поршень силового цилиндра обеспечивает перемещение рейки рулевого механизма. Усилие от рейки передается на рулевые тяги и далее приводит к повороту колес.

При осуществлении поворота на небольшой скорости (при парковке, маневрах в ограниченном пространстве) гидроусилитель руля работает с наибольшей производительностью. На основании сигналов датчиков электронный блок управления увеличивает частоту вращения электродвигателя насоса (обеспечивает открытие электромагнитного клапана). Соответственно увеличивается производительность насоса. В силовой цилиндр интенсивнее поступает специальная жидкость. Усилие на рулевом колесе значительно снижается.

С увеличением скорости движения частота вращения электродвигателя насоса снижается (срабатывает электромагнитный клапан и уменьшает поперечное сечение гидросистемы).

Работа гидравлического усилителя осуществляется в пределах поворота рулевого колеса и ограничивается предохранительным клапаном.

Электроусилитель рулевого управления

 

Электроусилителем рулевого управления (обиходное название –элетроусилитель руля) называется конструктивный элементрулевого управления автомобиля, в котором дополнительное усилие при повороте рулевого колеса создается с помощью электрического привода. В конструкции современного автомобиля электроусилитель рулевого управления постепенно заменяет гидроусилитель руля. К 2016 году каждый второй легковой автомобиль будет оснащен гидроусилителем руля.

Основными преимуществами электроусилителя руля в сравнении с гидроусилителем рулевого управления являются:

  1.  удобство регулирования характеристик рулевого управления;
  2.  высокая информативность рулевого управления;
  3.  высокая надежность в связи с отсутствием гидравлической системы;
  4.  топливная экономичность, обусловленная экономным расходованием энергии (снижение расхода топлива до 0,5 л. на 100 км).

Электроусилитель рулевого управления открыл широкие возможности для создания различных систем активной безопасности:

  1.  система курсовой устойчивости;
  2.  система автоматической парковки;
  3.  система аварийного рулевого управления;
  4.  система помощи движению по полосе.

Различают две основных схемы компоновки электроусилителя рулевого управления:

  1.  усилие электродвигателя передается на вал рулевого колеса;
  2.  усилие электродвигателя передается на рейку рулевого механизма.

Наиболее востребован электроусилитель с приводом на рулевую рейку. Другое его название - электромеханический усилитель рулевого управления. Известными конструкциями такого усилителя являются:

  1.  электромеханический усилитель руля с двумя шестернями;
  2.  электромеханический усилитель руля с параллельным приводом.

Электромеханический усилитель рулевого управления имеет следующее устройство:

  1.  электродвигатель усилителя;
  2.  механическая передача;
  3.  система управления.

Схема электромеханического усилителя руля c двумя шестернями

Электроусилитель руля объединен с рулевым механизмом в одном блоке. В конструкции усилителя используется, как правило, асинхронный электродвигатель.

Механическая передача обеспечивает передачу крутящего момента от электродвигателя к рейке рулевого механизма. В электроусилителе с двумя шестернями одна шестерня передает крутящий момент на рейку рулевого механизма от рулевого колеса, другая – от электродвигателя усилителя. Для этого на рейке предусмотрены два участка зубьев, один из которых служит приводом усилителя.

Схема электромеханического усилителя руля c параллельным приводом

В электроусилителе с параллельным приводом усилие от электродвигателя передается на рейку рулевого механизма с помощью ременной передачи и специального шариковинтового механизма.

Система управления электроусилителем руля включает следующие элементы:

  1.  входные датчики;
  2.  электронный блок управления;
  3.  исполнительное устройство.

К входным датчикам относятся датчик угла поворота рулевого колеса и датчик крутящего момента на рулевом колесе. Система управления электроусилителем руля также использует информацию, поступающую от блока управления ABS (датчик скорости автомобиля) и блока управления двигателем (датчик частоты коленчатого вала двигателя).

Электронный блок управления обрабатывает сигналы датчиков. В соответствии с заложенной программой вырабатывается соответствующее управляющее воздействие на исполнительное устройство – электродвигатель усилителя.

Электроусилитель руля обеспечивает работу рулевого управления автомобиля в следующих режимах:

  1.  поворот автомобиля в обычных условиях;
  2.  поворот автомобиля на малой скорости;
  3.  поворот автомобиля на большой скорости;
  4.  активный возврат колес в среднее положение;
  5.  поддержание среднего положения колес.

Поворот автомобиляосуществляется поворотом рулевого колеса. Крутящий момент от рулевого колеса передается через торсион на рулевой механизм. Закрутка торсиона измеряется датчиком крутящего момента, угол поворота рулевого колеса – датчиком угла поворота рулевого колеса. Информация от датчиков, а также информация о скорости автомобиля, частоте вращения коленчатого вала двигателя, передаются в электронный блок управления.

Блок управления рассчитывает необходимую величину крутящего момента электродвигателя усилителя и путем изменения величины силы тока обеспечивает ее на электродвигателе. Крутящий момент от электродвигателя передается на рейку рулевого механизма и далее, через рулевые тяги, на ведущие колеса.

Таким образом, поворот колес автомобиля осуществляется за счет объединения усилий, передаваемых от рулевого колеса и электродвигателя усилителя.

Поворот автомобиля на небольшой скорости обычно производится при парковке. Он характеризуется большими углами поворота рулевого колеса. Электронная система управления обеспечивает в данном случае максимальный крутящий момент электродвигателя, соответствующий значительному усилению рулевого управления (т.н. «легкий руль»).

При повороте на высокой скорости, напротив электронная система управления обеспечивает наименьший крутящий момент и минимальное усиление рулевого управления (т.н. «тяжелый руль»).

Система управления может увеличивать реактивное усилие, возникающее при повороте колес. Происходит т.н. активный возврат колес в среднее положение.

При эксплуатации автомобиля нередко возникает потребность вподдержании среднего положения колес (движение при боковом ветре, разном давлении в шинах). В этом случае система управления обеспечивает коррекцию среднего положения управляемых колес.

В программе управления электроусилителя руля предусмотрена компенсация увода переднеприводного автомобиля, вызванного различной длиной приводных валов.

В ряде систем активной безопасности электроусилитель функционирует без участия водителя. В системе курсовой устойчивости он обеспечивает обратное подруливание колес, а в парковочном автопилоте - автоматическую параллельную и перпендикулярную парковку.

Датчик угла поворота рулевого колеса

 

Датчик угла поворота рулевого колеса является одним из датчиков положения, которые широко используются в электронных системах автомобиля. В отличие от других датчиков датчик угла поворота рулевого колеса определяет угловое перемещение в широком диапазоне (свыше 720° в каждую сторону или четыре полных оборота рулевого колеса). Датчик устанавливается на рулевой колонке между переключателем и рулевым колесом, реже – на рулевом механизме.

Датчик угла поворота рулевого колеса служит для определения угла поворота (относительный угол), направления поворота (абсолютный угол) и угловой скорости рулевого колеса. Перечень функций определяется потребностями конкретной системы автомобиля. Таким образом, с помощью датчика угла поворота рулевого колеса определяется направление движения, которое задает водитель.

Датчик угла поворота рулевого колеса используется в нескольких автомобильных системах:

  1.  система курсовой устойчивости;
  2.  адаптивный круиз-контроль;
  3.  система помощи движению по полосе;
  4.  электрогидравлический усилитель рулевого управления;
  5.  электромеханический усилитель рулевого управления;
  6.  система активного рулевого управления;
  7.  система адаптивного освещения;
  8.  активная подвеска.

В качестве датчика угла поворота рулевого колеса используется несколько типов датчиков, построенных на различных физических принципах измерений:

  1.  потенциометрический датчик;
  2.  оптический датчик;
  3.  магниторезистивный датчик.

Потенциометрический датчик угла поворота рулевого колеса

Потенциометрический датчик угла поворота рулевого колеса относится к контактным датчикам. Он включает два потенциометра, закрепленных на рулевой колонке. Один потенциометр смещен относительно другого на 90°, что позволяет определять относительный и абсолютный углы поворота рулевого колеса. Изменение сопротивления потенциометра пропорционально углу поворота рулевого колеса. Ввиду невысокой надежности, связанной с наличием подвижных контактов, потенциометрические датчики в рулевом управлении в настоящее время почти не применяются.

Оптический датчик угла поворота рулевого колеса

Более совершенным сенсорным устройством является бесконтактный оптический датчик угла поворота рулевого колеса. Датчик объединяет кодирующий диск, источники света, светочувствительные элементы, блок определения полных оборотов вращения.

Кодирующий диск жестко закреплен на рулевой колонке. Он имеет два сегментарных кольца – внутреннее и наружное. На внутреннем кольце равномерно по окружности размещены прямоугольные отверстия, на наружном кольце отверстия расположены неравномерно. Конструкция внутреннего кольца позволяет определять величину угла поворота рулевого колеса. С помощью внешнего кольца оценивается направление вращения рулевого колеса в любой момент времени.

Между кольцами расположены источники света – светодиоды. Снаружи колец установлены светочувствительные элементы –фоторезисторы. Количество светодиодов и фоторезисторов различается в зависимости от конструкции датчика. При попадании луча света от светодиода на датчик, в электрической цепи генерируется напряжение, при отключении света – напряжение падает. На основании импульсов напряжения электронный блок управления рассчитывает угол и направление поворота рулевого колеса.

Магниторезистивный датчик угла поворота рулевого колеса

Магниторезистивный датчик угла поворота рулевого колеса является более универсальным устройством, т.к. помимо относительного и абсолютного угла поворота рулевого колеса позволяет определять его угловую скорость. Конструктивно датчик включает два магниторезистивных элемента, закрепленных в корпусе датчика. Магниторезисторы взаимодействуют с двумя подвижными магнитами.

Схема датчика угла поворота рулевого колеса

В основе датчика лежат гигантские магниторезисторы (GMR) или анизотропные магниторезисторы (AMR). Каждый из магнитов вращаются посредством зубчатой передачи. Приводные зубчатые колеса имеют различное количество зубьев, отличающееся на единицу. Измерения построены на том, что для каждого положения рулевого колеса существует свое положение магнитов, которое фиксируют магниторезисторы. На основании этого электронный блок управления определяет величину угла поворота, его направление и скорость.

Датчик крутящего момента на рулевом колесе

 

В основу работы электрического усилителя рулевого управленияположена величина крутящего момента на рулевом колесе. Чем больше усилие прикладывает водитель к рулевому колесу (создает крутящий момент), тем больше должно быть дополнительное усилие со стороны усилителя руля. Величину крутящего момента на рулевом колесе оценивает датчик крутящего момента. В ряде конструкций датчик крутящего момента объединен сдатчиком угла поворота рулевого колеса.

Различают несколько конструкций датчиков крутящего момента на рулевом колесе, построенных на различных физических принципах: оптический, индуктивный, датчик Холла, магниторезистивный датчик. Все перечисленные виды датчиков бесконтактные измерительные устройства. Помимо физических принципов, датчики различаются быстротой и точностью измерения. Самым распространенным является датчик крутящего момента, построенный на эффекте Холла.

Схема датчика крутящего момента

Датчик крутящего момента встроен в рулевую колонку. На валу рулевой колонки установлен многополюсной магнит, имеющий несколько пар полюсов. На валу-шестерне имеется два статора с зубьями особой формы. Вал рулевой колонки и вал-шестерня связаны друг с другом торсионом - стержнем, обладающим крутильной жесткостью. Чувствительным элементом датчика крутящего момента является неподвижный датчик Холла, закрепленный на корпусе. Для повышения надежности измерений в конструкции датчика крутящего момента используется два датчика Холла, т.н. схема с резервной цепью.

Принцип действия датчика построен на измерении угла закручивания торсиона, который пропорционален крутящему моменту на рулевом колесе. В исходном положении (нейтральное положение рулевого управления) зубцы статоров расположены строго между полюсами магнитов, что соответствует минимальному сигналу датчика. При повороте рулевого колеса торсион закручивается. Соответственно многополюсный магнит поворачивается относительно статоров. Максимальный сигнал датчика достигается, когда зубья каждого из статоров встают напротив полюсов магнита. В этом положении создается максимальный магнитный поток, который фиксируется датчиками Холла. Все остальные положения датчика являются промежуточными.

Необходимо отметить, что угол закручивания торсиона очень небольшой, поэтому диапазон измерения датчика составляет 4-5° в каждую сторону. Датчик крутящего момента, построенный на эффекте Холла, позволяет добиться высокой точности измерения порядка 0,002°. Для компенсации температурных перемещений при измерении датчик крутящего момента может иметь встроенный датчик температуры.

Во многом схожую конструкцию имеет магниторезистивный датчик крутящего момента. Оценка крутящего момента в нем также производится по углу закручивания торсиона. На валу рулевой колонки расположен многополюсный магнит, на валу-шестерне два магниторезистивных чувствительных элемента. При повороте магнитного диска магниторезистивные элементы фиксируют изменение магнитного потока и формируют электрический сигнал.

При эксплуатации электроусилителя рулевого управления необходимо помнить, что выход из строя датчика крутящего момента приводит к отключению усилителя, к счастью это происходит плавно.

Тормозная система

Тормозная система предназначена для управляемого изменения скорости автомобиля, его остановки, а также удержания на месте длительное время за счет использования тормозной силы междуколесом и дорогой. Тормозная сила может создаваться колесным тормозным механизмом, двигателем автомобиля (т.н. торможение двигателем), гидравлическим или электрическим тормозом-замедлителем в трансмиссии.

Для реализации указанных функций на автомобиле устанавливаются следующие виды тормозных систем:

  1.  рабочая;
  2.  запасная;
  3.  стояночная.

Рабочая тормозная системаобеспечивает управляемое уменьшение скорости и остановку автомобиля.

Запасная тормозная системаиспользуется при отказе и неисправности рабочей системы. Она выполняет аналогичные функции, что и рабочая система. Запасная тормозная система может быть реализована в виде специальной автономной системы или части рабочей тормозной системы (один из контуров тормозного привода).

Стояночная тормозная система предназначена для удержания автомобиля на месте длительное время.

Тормозная система является важнейшим средством обеспечения активной безопасности автомобиля. На легковых и ряде грузовых автомобилей применяются различные устройства и системы, повышающие эффективность тормозной системы и устойчивость при торможении: усилитель тормозов, антиблокировочная система, усилитель экстренного торможения и др.

Устройство тормозной системы

Тормозная система имеет следующее устройство:

  1.  тормозной механизм;
  2.  тормозной привод.

Схема тормозной системы

Тормозной механизм предназначен для создания тормозного момента, необходимого для замедления и остановки автомобиля. На автомобилях устанавливаютсяфрикционные тормозные механизмы, работа которых основана на использовании сил трения. Тормозные механизмы рабочей системы устанавливаются непосредственно в колесе. Тормозной механизм стояночной системы может располагаться за коробкой передач или раздаточной коробкой.

В зависмости от конструкции фрикционной части различают:

  1.  барабанные тормозные механизмы;
  2.  дисковые тормозные механизмы.

Тормозной механизм состоит из вращающейся и неподвижной частей. В качестве вращающейся части барабанного механизма используется тормозной барабан, неподвижной части –тормозные колодки или ленты.

Вращающаяся часть дискового механизма представлена тормозным диском, неподвижная – тормозными колодками. На передней и задней оси современных легковых автомобилей устанавливаются, как правило, дисковые тормозные механизмы.

Дисковый тормозной механизм состоит из вращающегося тормозного диска, двух неподвижнах колодок, установленных внутри суппорта с обеих сторон.

Схема дискового тормозного механизма

Суппорт закреплен на кронштейне. В пазах суппорта установлены рабочие цилиндры, которые при торможении прижимают тормозные колодки к диску.

Тормозной диск при томожении сильно нагреваются. Охлаждение тормозного диска осуществляется потоком воздуха. Для лучшего отвода тепла на поверхности диска выполняются отверстия. Такой диск называется вентилируемым. Для повышения эффективности торможения и обеспечения стойкости к перегреву на спортивных автомобилях применяются керамические тормозные диски.

Тормозные колодки прижимаются к суппорту пружинными элементами. К колодкам прикреплены фрикционные накладки. На современных автомобилях тормозные колодки оснащаютсядатчиком износа.

Тормозной привод обеспечивает управление тормозными механизмами. В тормозных системах автомобилей применяются следующие типы тормозных приводов:

  1.  механический;
  2.  гидравлический;
  3.  пневматический;
  4.  электрический;
  5.  комбинированный.

Механический привод используется в стояночной тормозной системе. Механический привод представляет собой систему тяг, рычагов и тросов, соединяющую рычаг стояночного тормоза с тормозными механизмами задних колес. Он включает:

  1.  рычаг привода;
  2.  регулируемый наконечник;
  3.  уравнитель тросов;
  4.  тросы;
  5.  рычаги привода колодок.

На некоторых моделях автомобилей стояночная система приводится в действие от ножной педали, т.н. стояночный тормоз с ножным приводом. В последнее время в стояночной системе широко используется электропривод, а само устройство называетсяэлектромеханический стояночный тормоз.

Гидравлический привод является основным типом привода в рабочей тормозной системе. Конструкция гидравлического привода включает:

  1.  тормозную педаль;
  2.  усилитель тормозов;
  3.  главный тормозной цилиндр;
  4.  колесные цилиндры;
  5.  шланги и трубопроводы.

Тормозная педаль передает усилие от ноги водителя на главный тормозной цилиндр.

Усилитель тормозов создает дополнительное усилие, передоваемое от педали тормоза. Наибольшее применение на автомобилях нашел вакуумный усилитель тормозов.

Главный тормозной цилиндр создает давление тормозной жидкости и нагнетает ее к тормозным цилиндрам. На современных автомобилях применяется сдвоенный (тандемный) главный тормозной цилиндр, который создает давление для двух контуров.

Над главным цилиндром находится расширительный бачок, предназначенный для пополнения тормозной жидкости в случае небольших потерь.

Колесный цилиндр обеспечивает срабатывание тормозного механизма, т.е. прижатие тормозных колодок к тормозному диску (барабану).

Для реализации тормозных функций работа элементов гидропривода организована по независимым контурам. При выходе из строя одного контура, его функции выполняет другой контур. Рабочие контура могут дублировать друг-друга, выполнять часть функций друг-друга или выполнять только свои функции (осуществлять работу определенных тормозных механизмов). Наиболее востребованной является схема, в которой два контура функционируют диагонально.

На современных автомобилях в состав гидравлического тормозного привода включены различные электронные компоненты:

  1.  антиблокировочная система тормозов;
  2.  усилитель экстренного торможения;
  3.  система распределения тормозных усилий;
  4.  электронная блокировка дифференциала;
  5.  антипробуксовочная система.

Пневматический привод используется в тормозной системе грузовых автомобилей.

Комбинированный тормозной привод представляет собой комбинацию нескольких типов привода. Например,электропневматический привод.

Принцип работы тормозной системы

Принцип работы тормозной системы рассмотрен на примере гидравлической рабочей системы.

При нажатии на педаль тормоза нагрузка передается к усилителю, который создает дополнительное усилие на главном тормозном цилиндре. Поршень главного тормозного цилиндра нагнетает жидкость через трубопроводы к колесным цилиндрам. При этом увеличивается давление жидкости в тормозном приводе. Поршни колесных цилиндров перемещают тормозные колодки к дискам (барабанам).

При дальнейшем нажатии на педаль увеличивается давление жидкости и происходит срабатывание тормозных механизмов, которое приводит к замедлению вращения колес и поялению тормозных сил в точке контакта шин с дорогой. Чем больше приложена сила к тормозной педали, тем быстрее и эффективнее осуществляется торможение колес. Давление жидкости при торможении может достигать 10-15 МПа.

При окончании торможения (отпускании тормозной педали), педаль под воздействием возвратной пружины перемещается в исходное положение. В исходное положение перемещается поршень главного тормозного цилиндра. Пружинные элементы отводят колодки от дисков (барабанов). Тормозная жидкость из колесных цилиндров по трубопроводам вытесняется в главный тормозной цилиндр. Давление в системе падает.

Эффективность тормозной системы значительно повышается за счет применения систем активной безопасности автомобиля.

Вакуумный усилитель тормозов

 

Вакуумный усилитель тормозов является самым распространенным видом усилителя, который применяется втормозной системе современного автомобиля. Он создает дополнительное усилие на педали тормоза за счет разряжения. Применение усилителя значительно облегчает работу тормозной системы автомобиля, и тем самым уменьшает усталость водителя.

Конструктивно вакуумный усилитель образует единый блок сглавным тормозным цилиндром. Вакуумный усилитель тормозов имеет следующее устройство:

  1.  корпус усилителя;
  2.  диафрагма;
  3.  следящий клапан;
  4.  толкатель;
  5.  шток поршня главного тормозного цилиндра;
  6.  возвратная пружина.

Схема вакуумного усилителя тормозов

Корпус усилителя разделендиафрагмой на две камеры. Камера, обращенная к главному тормозному цилиндру, называется вакуумной. Противоположная к ней камера (со стороны педали тормоза) – атмосферная.

Вакуумная камера через обратный клапан соединена с источником разряжения. В качестве источника разряжения обычно используется область в впускном коллекторе двигателя после дроссельной заслонки. Для обеспечения бесперебойной работы вакуумного усилителя на всех режимах работы автомобиля в качестве источника разряжения может применяться вакуумный электронасос. На дизельных двигателях, где разряжение во впускном коллекторе незначительное, применение вакуумного насоса является обязательным. Обратный клапан разъединяет вакуумный усилитель и источник разряжения при остановке двигателя, а также отказе вакуумного насоса.

Атмосферная камера с помощью следящего клапана имеет соединение:

  1.  в исходном положении - с вакуумной камерой;
  2.  при нажатой педали тормоза - с атмосферой.

Толкатель обеспечивает перемещение следящего клапана. Он связан с педалью тормоза.

Со стороны вакуумной камеры диафрагма соединена со штоком поршня главного тормозного цилиндра. Движение диафрагмы обеспечивает перемещение поршня и нагнетание тормозной жидкости к колесным цилиндрам.

Возвратная пружина по окончании торможения перемещает диафрагму в исходное положение .

Для эффективного торможения в экстренной ситуации в конструкцию вакуумного усилителя тормозов может быть включена система экстренного торможения, представляющая собой дополнительный электромагнитный привод штока.

Дальнейшим развитием вакуумного усилителя тормозов является т.н.активный усилитель тормозов. Он обеспечивает работу усилителя в определенных случаях и, следовательно, нагнетание давления без участия водителя. Активный усилитель тормозов используется в системе ESP для предотвращения опрокидывания и ликвидации избыточной поворачиваемости.

Принцип действия вакуумного усилителя тормозов основан на создании разности давлений в вакуумной и атмосферной камерах. В исходном положении давление в обеих камерах одинаковое и равно давлению, создаваемому источником разряжения.

При нажатии педали тормоза усилие через толкатель передается к следящему клапану. Клапан перекрывает канал, соединяющий атмосферную камеру с вакуумной. При дальнейшем движении клапана атмосферная камера через соответствующий канал соединяется с атмосферой. Разряжение в атмосферной камере снижается. Разница давлений действует на диафрагму и, преодолевая усилие пружины, перемещает шток поршня главного тормозного цилиндра.

Конструкция вакуумного усилителя обеспечивает дополнительное усилие на штоке поршня главного тормозного цилиндра пропорциональное силе нажатия на педаль тормоза. Другими словами, чем сильнее водитель нажимает на педаль, тем эффективнее будет работать усилитель.

При окончании торможения атмосферная камера вновь соединяется с вакуумной камерой, давление в камерах выравнивается. Диафрагма под действием возвратной пружины перемещается в исходное положение.

Максимальное дополнительное усилие, реализуемое с помощью вакуумного усилителя тормозов, обычно в 3-5 раз превышает усилие от ноги водителя. Дальнейшее повышение величины дополнительного усилия достигается увеличением числа камер вакуумного усилителя, а также увеличением размера диафрагмы.

Главный тормозной цилиндр

 

Главный тормозной цилиндр – центральный конструктивный элемент рабочей тормозной системы. Он преобразует усилие, прикладываемое к педали тормоза, в гидравлическое давление в тормозной системе. Работа главного тормозного цилиндра основана на свойстве тормозной жидкости, не сжиматься под действием внешних сил.

На современных автомобилях устанавливается двухсекционный главный тормозной цилиндр. Каждая из секций обслуживает свой гидравлический контур. Для переднеприводных автомобилей один из контуров объединяет, как правило, тормозные механизмы правого переднего и левого заднего колес, второй – левого переднего и правого заднего колес. В заднеприводных автомобилях рабочая тормозная система построена несколько иначе. Первый контур обслуживает тормоза передних колес, второй – задних колес.

Главный тормозной цилиндр закреплен на крышке вакуумного усилителя тормозов. Над цилиндром расположен двухсекционный бачок с запасом тормозной жидкости, который соединяется с секциями главного цилиндра через компенсационные и перепускные отверстия. Бачок служит для пополнения жидкости в тормозной системе в случае небольших ее потерь (утечки, испарение). Стенки бачка прозрачные, на них выполнены контрольные метки, что позволяет визуально отслеживать уровень тормозной жидкости. В бачке также устанавливается датчик уровня тормозной жидкости. При падении уровня тормозной жидкости ниже установленного на панели приборов загорается сигнальная лампа.

Схема главного тормозного цилиндра

В корпусе главного тормозного цилиндра расположены друг за другом (тандемом) два поршня. В первый поршень упирается шток вакуумного усилителя тормозов, второй поршень установлен свободно. Уплотнение поршней в корпусе цилиндра выполнено с помощью резиновых манжет. Возвращение и удержание поршней в исходном положении обеспечивают две возвратные пружины.

Принцип работы главного тормозного цилиндра

При торможении шток вакуумного усилителя тормозов толкает первый поршень. При движении по цилиндру поршень перекрывает компенсационное отверстие. Давление в первом контуре начинает расти. Под действием этого давления перемещается второй контур, давление во втором контуре также начинает расти. В образовавшиеся при движении поршней пустоты заполняются через перепускное отверстие тормозной жидкостью. Перемещение каждого из поршней происходит до тех пор, пока позволяет возвратная пружина. При этом в контурах создается максимальное давление, обеспечивающее срабатывание тормозных механизмов.

При окончании торможения поршни под действием возвратных пружин возвращаются в исходное положение. Когда поршень проходит через компенсационное отверстие, давление в контуре выравнивается с атмосферным давлением. Даже если тормозная педаль отпускается резко, разряжения в рабочих контурах не создается. Этому препятствует тормозная жидкость, заполнившая полости за поршнями. При движении поршня эта жидкость плавно возвращается (перепускается) в бачек через перепускное отверстие.

Если в одном из контуров произойдет утечка тормозной жидкости, другой контур будет продолжать работать. Например, при утечке в первом контуре первый поршень беспрепятственно переместиться по цилиндру до соприкосновения со вторым поршнем. Второй поршень начинает перемещаться, обеспечивая срабатывание тормозных механизмов во втором контуре.

При утечке во втором контуре, работа главного тормозного цилиндра происходит несколько иначе. Движение первого поршня вовлекает в движение второй поршень, который не встречает препятствий на своем пути. Он двигается до достижения упором торца корпуса цилиндра. После чего давление в первом контуре начинает расти, обеспечивая торможение автомобиля.

Несмотря на то, что ход педали тормоза при утечке жидкости несколько увеличивается, торможение будет достаточно эффективным.

Стояночный тормоз

 

Стояночный тормоз (обиходное название – ручник) служит для удержания автомобиля на месте длительное время. Используется во время стоянки автомобиля, остановке на площадках с уклоном, а также в движении для осуществления резких поворотов на заднеприводных спортивных автомобилях. Стояночная тормозная система является также запасной (аварийной) системой, так как полностью дублирует гидравлическую рабочую систему. Применение стояночного тормоза в экстренном случае во время движения позволяет довести транспортное средство до полной остановки.

Как любая тормозная система стояночный тормоз состоит из тормозного привода и тормозных механизмов.

В стояночной тормозной системе используется в основноммеханический тормозной привод, который обеспечивает передачу тормозного усилия от человека к тормозному механизму. Человек взаимодействует с ручным рычагом, тягой или ножной педалью.

Самым популярным устройством является ручной рычаг, который располагается, как правило, справа от водителя рядом с сиденьем. Ручной рычаг оснащен храповым механизмом, обеспечивающим фиксацию стояночного тормоза в рабочем положении. На рычаге расположен выключатель контрольной лампы стояночного тормоза. Сама лампа установлена на панели приборов и включается при срабатывании стояночного тормоза.

От рычага к тормозным механизмам усилие передается с помощью тросов. В конструкции тормозного привода стояночного тормоза используются один, два или три троса. Самая популярная схема с тремя тросами: один передний (центральный) и два задних троса. Передний трос соединен с ручным рычагом, задние тросы – с тормозными механизмами. Для соединения переднего троса с задними тросами и равномерной передачи усилия используется т.н. уравнитель.

Непосредственное соединение тросов с элементами стояночного тормоза осуществляется с помощью наконечников, часть из которых регулируемые. Регулировочные гайки на концах тросов позволяют изменять длину привода. Возвращение системы в исходное положение (снятие с тормоза) производится при переводе ручного рычага в соответствующее положение с помощью возвратной пружины. Пружина может располагаться на переднем тросе, уравнителе или непосредственно на тормозном механизме.

Тормозной привод стояночной тормозной системы должен регулярно использоваться, в противном случае может произойти закисание тросов и потеря функций. Это особенно актуально для автомобилей с автоматической коробкой передач, где в силу конструкции коробки стояночным тормозом можно не пользоваться.

На некоторых современных легковых автомобилях применяется электрический привод стояночного тормоза, в котором электродвигатель непосредственно взаимодействует с дисковым тормозным механизмом. Система носит названиеэлектромеханический стояночный тормоз.

В конструкции стояночного тормоза используются, как правило, штатные тормозные механизмы задних колес, в которые внесены ряд изменений.

В барабанном тормозном механизме торможение при стоянке производится с помощью отдельного рычага, который одной стороной соединен с задним тросом, другой – с тормозной колодкой. При срабатывании тормозного механизма трос перемещает рычаг, который в свою очередь толкает ведущую тормозную колодку и вместе с ней ведомую тормозную колодку к тормозному барабану. Происходит блокировка колеса.

На автомобилях с дисковыми тормозами применяют несколько конструкций стояночного тормозного механизма:

  1.  винтовой;
  2.  кулачковый;
  3.  барабанный.

Винтовой тормозной механизм используется в дисковых тормозах с одним поршнем. Механизм выполнен в суппорте дискового тормозного механизма. В данном устройстве поршень управляется с помощью вкрученного в него винта. Вращение винта обеспечивает рычаг, который другой стороной соединен с тросом. Так как при вращении винт перемещаться не может, вращение передается на соединенный с ним поршень. Поршень вдвигается по резьбе и прижимает тормозные колодки к диску.

Близка по конструкции к винтовому механизму конструкциякулачкового тормозного механизма. В данном устройстве перемещение поршня обеспечивает толкатель, имеющий привод от кулачка. Кулачек жестко соединен с рычагом, который в свою очередь связан с тросом. При повороте кулачка происходит перемещение толкателя и вместе с ним поршня тормозного механизма. В исходное положение система приводится с помощью возвратной пружины.

В дисковом тормозном механизме с несколькими поршнями применяется стояночный тормозной механизм барабанного типа. По сути это отдельный тормозной механизм со своими тормозными колодками. В качестве барабана используется внутренняя поверхность тормозного диска.

Электромеханический стояночный тормоз

 

Электромеханический стояночный тормоз (Electromechanical Parking Brake, EPB) является современной конструкций стояночной тормозной системы, в которой используется электромеханический привод тормозных механизмов.

Электромеханический стояночный тормоз выполняет следующиефункции:

  1.  удержание автомобиля на месте при стоянке;
  2.  аварийное торможение при движении автомобиля;
  3.  удержание автомобиля при трогании на подъеме.

Система EPB устанавливается на задние колеса автомобиля. Электромеханический стояночный тормоз имеет следующее общее устройство:

  1.  тормозной механизм;
  2.  тормозной привод;
  3.  электронная система управления.

В системе используются штатные тормозные механизмы, конструктивные изменения внесены в рабочие цилиндры.

Тормозной привод устанавливается на суппорте тормозного механизма. Тормозной привод преобразует электрическую энергию бортовой сети в поступательное движение тормозных колодок. Для выполнения возложенных функций привод включает следующие конструктивные элементы:

  1.  электродвигатель;
  2.  ременная передача;
  3.  планетарный редуктор;
  4.  винтовой привод.

Все элементы находятся в одном корпусе. Вращательное движение электродвигателя через ременную передачу передается на планетарный редуктор. Применение планетарного редуктора обусловлено снижением уровня шума, массы привода, а также существенной экономией пространства. Редуктор осуществляет перемещение винтового привода, который в свою очередь обеспечивает поступательное движение поршня тормозного механизма.

Электронная система управлениястояночным тормозом объединяет:

  1.  входные датчики;
  2.  блок управления;
  3.  исполнительные механизмы.

К входным датчикам относятся кнопка включения тормоза, датчик уклона, датчик педали сцепления. Кнопка включениярасполагается на центральной консоли автомобиля. Датчик уклона интегрирован в блок управления. Датчик педали сцепления расположен на приводе сцепления и фиксирует два параметра – положение и скорость отпускания педали сцепления.

Блок управления преобразует сигналы датчиков в управляющие воздействия на исполнительные устройства. В своей работе блок управления взаимодействует с системой управления двигателем исистемой курсовой устойчивости ESP.

В роли исполнительного механизма системы управления выступает электродвигатель привода.

Принцип работы электромеханического стояночного тормоза

Работа электромеханического стояночного тормоза носит циклический характер: включение – выключение.

Включение стояночного тормоза производится нажатием кнопки на центральной консоли. При этом активируется электродвигатель, который посредством редуктора и винтового привода производит притягивание тормозных колодок к тормозному диску. Тормозной диск жестко фиксируется.

Выключение электромеханического стояночного тормозапроизводится автоматически при трогании автомобиля с места. Предусмотрено выключение тормоза вручную при нажатой педали тормоза. При выключении стояночного тормоза блок управления анализирует следующие параметры:

  1.  величину уклона;
  2.  положение педали газа (от блока управления двигателем);
  3.  положение и скорость отпускания педали сцепления.

Это позволяет производить своевременное выключение стояночного тормоза, в том числе выключение с временной задержкой, предотвращающее откатывание автомобиля при трогании на подъеме.

Система рекуперативного торможения

 

В современных гибридных автомобилях (полных гибридах, умеренных гибридах, подключаемых гибридах, легких гибридах с системой стоп-старт) используется система рекуперативного торможения. В основу системы положен электрический способ рекуперации кинетической энергии.

Движение автомобиля сопровождается кинетической энергией. При торможении с использованием традиционной тормозной системы избыток кинетической энергии преобразуется в тепловую энергию трения тормозных колодок и тормозного диска и, соответственно, расходуется вхолостую.

В системе рекуперативного торможения для замедления используется электродвигатель, включенный в трансмиссию автомобиля. При торможении электродвигатель начинает работать в генераторном режиме, на валу двигателя создается тормозной момент и вырабатывается электрическая энергия, которая сохраняется в аккумуляторной батарее. Запасенная электрическая энергия используется в дальнейшем для движения автомобиля.

Применение системы рекуперативного торможения обеспечивает максимальную отдачу от каждого заряда аккумуляторной батареи и высокую топливную экономичность. Рекуперативное торможение наиболее эффективно на передней оси автомобиля, т.к. до 70% кинетической энергии при торможении приходится именно на переднюю ось.

Эффективность системы рекуперативного торможения значительно снижается на низких скоростях движения автомобиля. Поэтому для доведения автомобиля до полной остановки используются традиционные фрикционные тормоза. Совместная работа двух систем находится под управлением электроники.

Отдельный электронный блок управления реализует следующие функции:

  1.  контроль скорости вращения колес;
  2.  поддержание тормозного момента электродвигателя, необходимого для замедления автомобиля;
  3.  перераспределение тормозного усилия на фрикционную тормозную систему;
  4.  поддержание крутящего момента, необходимого для зарядки аккумуляторной батареи.

В данной тормозной системе механическая связь между педалью тормоза и тормозными колодками отсутствует. Решение о торможении принимает электроника на основании анализа действий водителя и характера движения автомобиля.

В работе электронная система рекуперативного торможениявзаимодействует с антиблокировочной системой тормозовсистемой распределения тормозных усилийсистемой курсовой устойчивости,усилителем экстренного торможения.

Система рекуперации кинетической энергии

Помимо электрического способа рекуперации кинетической энергии существуют и другие способы: механический, гидравлический, пневматический. Самый распространенный из них является механический способ и построенные на его основе система рекуперации кинетической энергии (Kinetic Energy Recovery Systems, KERS). В данной системе кинетическая энергия движущегося автомобиля возвращается при торможении и сохраняется для дальнейшего использования с помощью маховика. В отличие от рекуперативного торможения система KERS не создает тормозной момент.

Маховик включен в трансмиссию автомобиля, вращается в вакуумной камере и при торможении разгоняется до 60000 об/мин. Конструкция обеспечивает сохранение энергии до 600 кДж и передачу мощности до 60 кВт (80 л.с.). Запасенная энергия используется для кратковременного скоростного рывка в движении или при трогании с места.

Система KERS применяется в автоспорте на автомобилях Formula 1 с 2009 года. На автомобилях массового использования применение данной системы только планируется. Ближе всех к серийному применению системы рекуперации кинетической энергии находятся разработки компании Volvo.

Cистему KERS предлагается использовать при движении автомобиля в городском цикле. При торможении двигатель автомобиля выключается, маховик раскручивается и запасает энергию. При трогании с места используется энергия маховика, автомобиль трогается, а двигатель запускается уже в движении.

По заявлениям Volvo применение системы рекуперации кинетической энергии обеспечивает снижение расхода топлива на 20% и сокращение вредных выбросов.

Системы активной безопасности

 

Основным предназначением систем активной безопасностиавтомобиля является предотвращение аварийной ситуации. При возникновении такой ситуации система самостоятельно (без участия водителя) оценивает вероятную опасность и при необходимости предотвращает ее путем активного вмешательства в процесс управления автомобилем.

Применение систем активной безопасности позволяет в различных критических ситуациях сохранять контроль над автомобилем или, другими словами, сохранить курсовую устойчивость и управляемость автомобиля.

Под курсовой устойчивостьюпонимается способность автомобиля сохранять движение по заданной траектории, противодействуя силам, вызывающим занос и опрокидывание.

Управляемость заключается в способности автомобиля двигаться в заданном водителем направлении.

Наиболее известными и востребованными системами активной безопасности являются:

  1.  антиблокировочная система тормозов;
  2.  антипробуксовочная система;
  3.  система курсовой устойчивости;
  4.  система распределения тормозных усилий;
  5.  система экстренного торможения;
  6.  система обнаружения пешеходов;
  7.  электронная блокировка дифференциала.

Перечисленные системы активной безопасности конструктивно связаны и тесно взаимодействуют с тормозной системой автомобиляи значительно повышают ее эффективность. Ряд систем может управлять величиной крутящего момента через систему управления двигателем.

Имеются также вспомогательные системы активной безопасности (ассистенты), предназначенные для помощи водителю в трудных с точки зрения вождения ситуациях. Помимо своевременного предупреждения водителя о возможной опасности, системы осуществляют и активное вмешательство в управление автомобилем, используя при этом тормозную систему и рулевое управление.

Большое количество таких систем появилось и появляется в связи со стремительным развитием электронных систем управления (появлением новых видов входных устройств, повышением производительности электронных блоков управления).

К вспомогательным системам активной безопасности относятся:

  1.  парковочная система;
  2.  система кругового обзора;
  3.  адаптивный круиз-контроль;
  4.  cистема аварийного рулевого управления;
  5.  система помощи движению по полосе;
  6.  система помощи при перестроении;
  7.  система ночного видения;
  8.  система распознавания дорожных знаков
  9.  система контроля усталости водителя
  10.  система помощи при спуске;
  11.  система помощи при подъёме;
  12.  и др.

Промежуточное положение между активными и пассивными системами безопасности занимают превентивные системы безопасности.

Антиблокировочная система тормозов

 

При экстренном торможении автомобиля возможна блокировка одного или нескольких колёс. В этом случае весь запас по сцеплению колеса с дорогой используется в продольном направлении. Заблокированное колесо перестает воспринимать боковые силы, удерживающие автомобиль на заданной траектории, и скользит по дорожному покрытию. Автомобиль теряет управляемость, и малейшее боковое усилие приводит его к заносу.

Антиблокировочная система тормозов (АБС, ABS, Antilock Brake System) предназначена предотвратить блокировку колес при торможении и сохранить управляемость автомобиля. Антиблокировочная система повышает эффективность торможения, уменьшает длину тормозного пути на сухом и мокром покрытии, обеспечивает лучшую маневренность на скользкой дороге, управляемость при экстренном торможении. В актив системы можно записать меньший и равномерный износ шин.

Вместе с тем, система АБС не лишена недостатка. На рыхлой поверхности (песок, гравий, снег) применение антиблокировочной системы увеличивает тормозной путь. На таком покрытии наименьший тормозной путь обеспечивается как раз при заблокированных колесах. При этом, перед каждым колесом формируется клин из грунта, который и приводит к сокращению тормозного пути. В современных конструкциях ABS этот недостаток почти устранен - система автоматически определяет характер поверхности и для каждой реализует свой алгоритм торможения.

Антиблокировочная система тормозов выпускается с 1978 года. За прошедший период система претерпела значительные изменения. На основе системы АБС построена система распределения тормозных усилий. С 1985 года система интегрирована с антипробуксовочной системой. С 2004 года все автомобили, выпускающиеся в Европе, оснащаются антиблокировочной системой тормозов.

Ведущим производителем антиблокировочной системы является фирма Bosch. С 2010 года компания производит систему ABS 9 поколения, которую отличает наименьший вес и габаритные размеры. Так, гидравлический блок системы весит всего 1,1 кг. Система АБС устанавливается в штатную тормозную систему автомобиля без изменения ее конструкции.

Наиболее эффективной является антиблокировочная система тормозов с индивидуальным регулированием скольжения колеса, т.н. четырехканальная система. Индивидуальное регулирование позволяет получить оптимальный тормозной момент на каждом колесе в соответствии с дорожными условиями и, как следствие, минимальный тормозной путь.

Антиблокировочная система имеет следующее устройство:

  1.  датчики угловой скорости колёс;
  2.  датчик давления в тормозной системе;
  3.  блок управления;
  4.  гидравлический блок;
  5.  контрольная лампа на панели приборов.

Схема антиблокировочной системы тормозов ABS

Датчик угловой скоростиустанавливается на каждое колесо. Он фиксирует текущее значение частоты вращения колеса и преобразует его в электрический сигнал.

На основании сигналов датчиковблок управления выявляет ситуацию блокирования колеса. В соответствии с установленным программным обеспечением блок формирует управляющие воздействия на исполнительные устройства - электромагнитные клапаны и электродвигатель насоса обратной подачи гидравлического блока системы.

Гидравлический блок обединяет следующие конструктивные элементы:

  1.  впускные и выпускные электромагнитные клапаны;
  2.  аккумуляторы давления;
  3.  насос обратной подачи с электродвигателем;
  4.  демпфирующие камеры.

В гидравлическом блоке каждому тормозному цилиндру колеса соответствует один впускной и один выпускной клапаны, которые управляют торможением в пределах своего контура.

Аккумулятор давления предназначен для приема тормозной жидкости при сбросе давления в тормозном контуре.

Насос обратной подачи подключается, когда емкости аккумуляторов давления недостаточно. Он увеличивает скорость сброса давления.

Демпфирующие камеры принимают тормозную жидкость от насоса обратной подачи и гасят ее колебания.

В гидравлическом блоке устанавливается два аккумулятора давления и две демпфирующие камеры по числу контуров гидропривода тормозов.

Контрольная лампа на панели приборов сигнализирует о неисправности системы.

Принцип работы антиблокировочной системы тормозов

Работа антиблокировочной системы тормозов носит цикличный характер. Цикл работы системы включает три фазы:

  1.  удержание давления;
  2.  сброс давления;
  3.  увеличение давления.

На основании электрических сигналов, поступающих от датчиков угловой скорости, блок управления ABS сравнивает угловые скорости колёс. При возникновении опасности блокирования одного из колёс, блок управления закрывает соответствующий впускной клапан. Выпускной клапан при этом также закрыт. Происходитудержание давления в контуре тормозного цилиндра колеса. При дальнейшем нажатии на педаль тормоза давление в тормозном цилиндре колеса не увеличивается.

При продолжающейся блокировке колеса, блок управления открывает соответствующий выпускной клапан. Впускной клапан при этом остается закрытым. Тормозная жидкость перепускается в аккумулятор давления. Происходит сброс давления в контуре, при этом скорость вращения колеса увеличивается. При недостаточной емкости аккумулятора давления, блок управления ABS подключает к работе насос обратной подачи. Насос обратной подачи перекачивает тормозную жидкость в демпфирующую камеру, уменьшая давление в контуре. Водитель при этом ощущает пульсацию педали тормоза.

Как только угловая скорость колеса превысит определённое значение, блок управления закрывает выпускной клапан и открывает впускной. Происходит увеличение давления в контуретормозного цилиндра колеса.

Цикл работы антиблокировочной системы тормозов повторяется до завершения торможения или прекращения блокирования. Система ABS не отключается.

Система курсовой устойчивости

 

Система курсовой устойчивости (другое наименование - система динамической стабилизации) предназначена для сохранения устойчивости и управляемости автомобиля за счет заблаговременного определения и устранения критической ситуации. С 2011 года оснащение системой курсовой устойчивости новых легковых автомобилей является обязательным в США, Канаде, странах Евросоюза.

Система позволяет удерживать автомобиль в пределах заданной водителем траектории при различных режимах движения (разгоне, торможении, движении по прямой, в поворотах и при свободном качении).

В зависимости от производителя различают следующие названия системы курсовой устойчивости:

  1.  система ESP (Electronic Stability Programme) на большинстве автомобилей в Европе и Америке;
  2.  система ESC (Electronic Stability Control) на автомобилях Honda, Kia, Hyundai;
  3.  система DSC (Dynamic Stability Control) на автомобилях BMW, Jaguar, Rover;
  4.  система DTSC (Dynamic Stability Traction Control) на автомобилях Volvo;
  5.  система VSA (Vehicle Stability Assist) на автомобилях Honda, Acura;
  6.  система VSC (Vehicle Stability Control) на автомобилях Toyota;
  7.  система VDC (Vehicle Dynamic Control) на автомобилях Infiniti, Nissan, Subaru.

Устройство и принцип действия системы курсовой устойчивости рассмотрены на примере самой распространенной системы ESP, которая выпускается с 1995 года.

Устройство системы курсовой устойчивости

Система курсовой устойчивости является системой активной безопасности более высокого уровня и включает следующие системы:

  1.  антиблокировочную систему тормозов (ABS),
  2.  систему распределения тормозных усилий (EBD),
  3.  электронную блокировку дифференциала (EDS),
  4.  антипробуксовочную систему (ASR).

Система курсовой устойчивости имеет следующее устройство:

  1.  входные датчики;
  2.  блок управления;
  3.  гидравлический блок.

 

Схема системы курсовой устойчивости ESP

Входные датчики фиксируют конкретные параметры автомобиля и преобразуют их в электрические сигналы. С помощью датчиковсистема динамической стабилизации оценивает действия водителя и параметры движения автомобиля.

К входным датчикам системы ESP относятся:

используются в оценке действий водителя

  1.  датчик угла поворота рулевого колеса;
  2.  датчик давления в тормозной системе;
  3.  выключатель стоп-сигнала ;

используются в оценке фактических параметров движения

  1.  датчики угловой скорости колёс;
  2.  датчик продольного ускорения;
  3.  датчик поперечного ускорения;
  4.  датчик скорости поворота автомобиля ;
  5.  датчик давления в тормозной системе

Блок управления системы ESP принимает сигналы от датчиков и формирует управляющие воздействия на исполнительные устройства подконтрольных систем активной безопасности:

  1.  впускные и выпускные клапаны системы ABS;
  2.  переключающие и клапаны высокого давления системы ASR;
  3.  контрольные лампы системы ESP, системы ABS, тормозной системы.

В своей работе блок управления ESP взаимодействует с блоком управления системы управления двигателем и блоком управленияавтоматической коробки передач. Помимо приема сигналов от этих систем блок управления формирует управляющие воздействия на элементы системы управления двигателем и АКПП.

Для работы системы динамической стабилизации используетсягидравлический блок системы ABS/ASR со всеми компонентами.

Принцип работы системы курсовой устойчивости

Определение наступления аварийной ситуации осуществляется путем сравнения действий водителя и параметров движения автомобиля. В случае, когда действия водителя (желаемые параметры движения) отличаются от фактических параметров движения автомобиля, система ESP распознает ситуацию как неконтролируемую и включается в работу.

Стабилизация движения автомобиля с помощью системы курсовой устойчивости может достигаться несколькими способами:

  1.  подтормаживанием определенных колес;
  2.  изменением крутящего момента двигателя
  3.  изменением угла поворота передних колес (при наличии системы активного рулевого управления);
  4.  изменением степени демпфирования амортизаторов (при наличииадаптивной подвески) .

Подтормаживание колес производится путем включения в работу соответствующих систем активной безопасности. Работа при этом носит циклический характер: увеличение давления, удержание давления и сброс давления в тормозной системе.

Изменение крутящего момента двигателя в системе ESP может осуществляться несколькими путями:

  1.  изменением положения дроссельной заслонки;
  2.  пропуском впрыска топлива;
  3.  пропуском импульсов зажигания;
  4.  изменением угла опережения зажигания;
  5.  отменой переключения передачи в АКПП;
  6.  перераспределением крутящего момента между осями (при наличии полного привода).

Система, объединяющая систему курсовой устойчивости, рулевое управление и подвеску носит название интегрированной системы управления динамикой автомобиля.

Дополнительные функции системы курсовой устойчивости

В конструкции системы курсовой устойчивости могут быть реализованы следующие дополнительные функции (системы):

  1.  гидравлический усилитель тормозов;
  2.  система предотвращения опрокидывания;
  3.  система предотвращения столкновения;
  4.  система стабилизации автопоезда;
  5.  система повышения эффективности тормозов при нагреве;
  6.  система удаления влаги с тормозных дисков;
  7.  и др.

Все перечисленные системы, в основном, не имеют своих конструктивных элементов, а являются программным расширением системы ESP.

Система предотвращения опрокидывания ROP (Roll Over Prevention) стабилизирует движение автомобиля при угрозе опрокидывания. Предотвращение опрокидывания достигается за счет уменьшения поперечного ускорения путем подтормаживания передних колес и снижения крутящего момента двигателя. Дополнительное давление в тормозной системе создается с помощью активного усилителя тормозов.

Система предотвращения столкновения (Braking Guard) может быть реализована в автомобиле, оснащенном адаптивным круиз-контролем. Система предотвращает опасность столкновения с помощью визуальных и звуковых сигналов, а в критической ситуации - путем нагнетания давления в тормозной системе (автоматического включения насоса обратной подачи).

Система стабилизации автопоезда может быть реализована в автомобиле, оборудованным тягово-сцепным устройством. Система предотвращает рыскание прицепа при движении автомобиля, которое достигается за счет торможения колес или снижения крутящего момента.

Система повышения эффективности тормозов при нагреве FBS(Fading Brake Support, другое наименование - Over Boost) предотвращает недостаточное сцепление тормозных колодок с тормозными дисками, возникающее при нагреве, путем дополнительного увеличения давления в тормозном приводе.

Система удаления влаги с тормозных дисков активируется на скорости свыше 50км/ч и включенных стеклоочистителях. Принцип работы системы заключается в кратковременном повышении давления в контуре передних колес, за счет чего тормозные колодки прижимаются к дискам и происходит испарение влаги.

Система управления динамикой автомобиля

 

Объединение различных электронных систем автомобиля в сеть, помимо обмена информацией, позволяет организовать их совместную работу. На этом принципе построена система интегрированного управления динамикой автомобиля. Система объединяет систему курсовой устойчивостирулевое управление,трансмиссию и подвеску автомобиля, которые до этого работали самостоятельно.

Система управления динамикой автомобиля направлена на поддержание курсовой устойчивости, повышение маневренности, снижение нагрузки на водителя. Система представляет собой специальное программное обеспечение, которое устанавливается, как правило, в блок управления системы курсовой устойчивости. Система не имеет собственных конструктивных элементов, поэтому системой, как таковой, является лишь условно. В большей степени это маркетинговый ход производителей.

Система управления динамикой автомобиля имеет насколько названий:

  1.  Vehicle Dynamics Management, VDM у Bosch;
  2.  Vehicle Dynamics Integrated Management, VDIM у Toyota;
  3.  Integrated Chassis Management, ICM у BMW.

В интегрированной системе управления динамикой автомобиля могут быть реализованы следующие функции:

  1.  дополнительный крутящий момент на рулевом колесе;
  2.  дополнительный угол поворота передних колес;
  3.  угол поворота колес задней оси на заднеприводных автомобилях;
  4.  распределение крутящего момента между передней и задней осью на полноприводных автомобилях;
  5.  распределение крутящего момента между правым и левым ведущими колесами;
  6.  снижение кренов и раскачивания подвески.

Дополнительный крутящий момент на рулевом колесеоказывает влияние на действия водителя. При избыточной поворачиваемости крутящий момент создается в направлении, противоположном уводу. При недостаточной поворачиваемости данная функция препятствует дальнейшему повороту рулевого колеса. Величина дополнительного крутящего момента небольшая (до 3 нм), поэтому его воздействие на динамику автомобиля минимально. Функция дополнительного крутящего момента на рулевом колесе реализована с помощью электроусилителя рулевого управления.

Создание дополнительного угла поворота передних колеспозволяет добиться значительной стабилизации движения. Для создания дополнительного угла поворота колес используется электроусилитель рулевого управления, который при определенных условиях движения активно вмешивается в управление автомобилем. Например, в системе активного рулевого управленияот BMW реализована корректировка угла поворота передних колес при прохождении поворотов и торможении на скользком покрытии.

При избыточной поворачиваемости колеса поворачиваются в противоположную сторону, при недостаточной поворачиваемости поворотом колес достигается потерянное сцепление с дорогой. В большинстве случаев вмешательство в работу рулевого управления позволяет стабилизировать автомобиль без снижения скорости движения.

На некоторых моделях заднеприводных автомобилей используетсяповорот колес задней оси. Например, в системе активного управления геометрией подвески эта функция выполнена с помощью переменной длины рычагов. На малой скорости поворот задних колес в направлении, противоположном передним, повышает маневренность автомобиля. На большой скорости поворот задних колес в одном направлении с передними повышает курсовую устойчивость автомобиля.

Активное распределение (перераспределение) крутящего момента между передней и задней осью применяется в большинстве современных систем полного привода. Данная функция позволяет управлять динамикой автомобиля, балансируя между избыточной и недостаточной поворачиваемостью.

Распределение крутящего момента между ведущими колесами в поперечном направлении реализуется с помощью электронной блокировки дифференциала, а также некоторых способов физической блокировки дифференциала.

Существенное влияние на поддержание курсовой устойчивости оказывает функция управления кренами автомобиля. Данная функция осуществляется с помощью стабилизаторов поперечной устойчивости переменной жесткости и адаптивных амортизаторов в составе активной подвески.

Таким образом, с помощью объединения различных систем автомобиля достигается высокая динамика при сохранении безопасности движения.

Система распределения тормозных усилий

 

Система распределения тормозных усилий предназначена для предотвращения блокировки задних колес за счет управления тормозным усилием задней оси.

Современный автомобиль устроен так, что на заднюю ось приходится меньшая нагрузка, чем на переднюю. Поэтому для сохранения курсовой устойчивости автомобиля блокировка передних колес должна наступать раньше задних колес.

При резком торможении автомобиля происходит дополнительное уменьшение нагрузки на заднюю ось, так как центр тяжести смещается вперед. А задние колёса, при этом, могут оказаться заблокированными.

Система распределения тормозных усилий представляет собой программное расширение антиблокировочной системы тормозов. Другими словами, система использует конструктивные элементы системы ABS в новом качестве.

Общепринятыми торговыми названиями системы являются:

  1.  EBD, Electronic Brake Force Distribution ;
  2.  EBV, Elektronishe Bremskraftverteilung .

Принцип работы системы распределения тормозных усилий

Работа системы EBD, также как и система ABS, носит цикличный характер. Цикл работы включает три фазы:

  1.  удержание давления;
  2.  сброс давления;
  3.  увеличение давления.

По данным датчиков угловой скорости колес блок управления ABS сравнивает тормозные усилия передних и задних колёс. Когда разница между ними превышает заданную величину, включается алгоритм системы распределения тормозных усилий.

На основании разности сигналов датчиков блок управления определяет начало блокирования задних колес. Он закрывает впускные клапаны в контурах тормозных цилиндров задних колес.Давление в контуре задних колес удерживается на текущем уровне. Впускные клапаны передних колёс остаются открытыми. Давление в контурах тормозных цилиндров передних колес продолжает увеличиваться до начала блокирования передних колес.

Если колеса задней оси продолжают блокироваться, открываются соответствующие выпускные клапаны и давление в контурах тормозных цилиндров задних колес уменьшается.

При превышении угловой скорости задних колес заданного значения,давление в контурах увеличивается. Происходит торможение задних колес.

Работа системы распределения тормозных усилий заканчивается с началом блокирования передних (ведущих) колес. При этом в работу включается система ABS.

Система экстренного торможения

 

Система экстренного торможения предназначена для эффективного использования тормозов в экстренной ситуации. Как показывает практика, применение системы экстренного торможения на автомобиле позволяет сократить тормозной путь в среднем на 15-20%. Это, порой, является решающим фактором предотвращения аварии или уменьшения ее последствий.

Различают два вида систем экстренного торможения:

  1.  системы помощи при экстренном торможении;
  2.  системы автоматического экстренного торможения.

Система помощи при экстренном торможении позволяет реализовать максимальное тормозное давление при нажатии водителем на педаль тормоза, т.е. система дотормаживает за него.Система автоматического экстренного торможения создает частичное или максимальное тормозное давление без участия водителя, т.е. автоматически.

Система помощи при экстренном торможении

Конструкции систем помощи при экстренном торможении можно разделить на два типа по принципу создания максимального тормозного давления:

  1.  пневматические;
  2.  гидравлические.

Системы помощи при экстренном торможении пневматического типа обеспечивают эффективную работу вакуумного усилителя тормозов. К ним относятся:

  1.  системы BA (Brake Assist), BAS (Brake Assist System), EBA(Emergency Brake Assist) на автомобилях Mercedes-Benz, BMW, Toyota, Volvo и др.;
  2.  система AFU на французских автомобилях Renault, Peugeot, Citroen.

Данные системы экстренного торможения имеют следующее общее устройство:

  1.  датчик скорости перемещения штока вакуумного усилителя;
  2.  электронный блок управления;
  3.  электромагнитный привод штока.

Система помощи при экстренном торможении пневматического типа устанавливается, как правило, на автомобили, оборудованныесистемой ABS.

Принцип работы данной системы основан на распознавании ситуации экстренного торможения по скорости нажатия педали тормоза. Скорость нажатия на педаль тормоза фиксирует датчик скорости перемещения штока вакуумного усилителя и передает сигнал в электронный блок управления. Если величина сигнала превышает установленное значение, электронный блок управления активирует электромагнит привода штока. Вакуумный усилитель тормозов дожимает педаль тормоза. Экстренное торможение происходит до срабатывания системы ABS.

Системы помощи при экстренном торможении гидравлического типа обеспечивают максимальное давление жидкости в тормозной системе за счет использования элементов системы курсовой устойчивости. К таким системам относятся:

  1.  система HBA (Hydraulic Braking Assistance) на автомобиляхVolkswagen, Audi;
  2.  система HBB (Hydraulic Brake Booster) на автомобилях Volkswagen, Audi;
  3.  система SBC (Sensotronic Brake Control) на автомобилях Mercedes-Benz;
  4.  система DBC (Dynamic Brake Control) на автомобилях BMW;
  5.  система BA Plus (Brake Assist Plus) на автомобилях Mercedes-Benz.

Система HBA распознает экстренную ситуацию по скорости и силе нажатия педали тормоза. В работе системы используется датчик давления в тормозной системе, датчики частоты вращения колес, выключатель стоп-сигнала. На основании поступающих сигналов электронный блок управления при необходимости включает насос обратной подачи, который доводит давление в тормозной системе до максимального. Действие программы происходит до срабатывания системы ABS.

Система HBB в определенных режимах эксплуатации автомобиля (прогрев двигателя и др.) дублирует вакуумный усилитель тормозов. В работе системы используются датчик давления в тормозной системе, датчик разряжения в вакуумном усилителе, выключатель стоп-сигнала. При недостаточном разряжении в камерах вакуумного усилителя система HBB включает насос обратной подачи и повышает давление в тормозной системе до необходимой величины.

Система SBC. В своей работе система учитывает множество факторов, в том числе: скорость переноса ноги с педали газа на педаль тормоза, силу нажатия на педаль тормоза, качество дорожного покрытия, направление движения, другие параметры. В соответствии с конкретными условиями движения электронный блок управления формирует оптимальное тормозное усилие на каждое колесо.

Cистема BA Plus контролирует расстояние до впереди идущего автомобиля с помощью радаров системы Distronic. Если расстояние мало и существует опасность столкновения производится визуальное и звуковое предупреждение водителя. Если водитель тормозит недостаточно эффективно система дотормаживает за него.

Система автоматического экстренного торможения

Система автоматического экстренного торможения с помощьюрадара (лидара) и видеокамерыобнаруживает впереди идущий автомобиль. В случае вероятной аварии (интенсивного сокращения растояния между автомобилями) система реализует частичное или максимальное тормозное усилие, замедляет или останавливает автомобиль. Даже если столкновение произошло, последствия его для обоих автомобилей будут значительно меньше.

Конструктивно система автоматического экстренного торможения построена на другиз системах активной безопасности - системе адаптивного круиз-контроля (контроль расстояния) и системе курсовой устойчивости (автоматическое торможение).

Известными системами автоматического экстренного торможения являются:

  1.  Pre-Safe Brake на автомобилях Mercedes-Benz;
  2.  Collision Mitigation Braking System, CMBS на автомобиляхHonda;
  3.  Collision Warning with Auto Brake на автомобилях Volvo;
  4.  City Safety на автомобилях Volvo;
  5.  Predictive Emergency Braking System, PEBS от Bosch;
  6.  Automatic Emergency Braking, AEB от TRW.

Необходимо отметить, что в перечисленных системах помимо автоматического экстренного торможения реализованы другие функции:

  1.  предупреждение водителя об опасности столкновения;
  2.  активация некоторых устройств пассивной безопасности.

Поэтому данные системы еще называют превентивными системами безопасности.

Система обнаружения пешеходов

 

Система обнаружения пешеходов предназначена для предотвращения столкновения с пешеходами. Система распознает людей возле автомобиля, автоматически замедляет автомобиль, снижает силу удара и даже избегает столкновения. Применение системы позволяет на 20% сократить смертность пешеходов при дорожно-транспортном происшествии и на 30% снизить риск тяжелых травм.

Впервые система обнаружения пешеходов была использована на автомобилях Volvo в 2010 году. В настоящее время система имеет ряд модификаций:

  1.  Pedestrian Detection System от Volvo;
  2.  Advanced Pedestrian Detection System от TRW;
  3.  EyeSight от Subaru.

В системе обнаружения пешеходов реализованы следующие взаимосвязанные функции:

  1.  обнаружение пешеходов;
  2.  предупреждение об опасности столкновения;
  3.  автоматическое торможение.

Для обнаружения пешеходов используется видеокамера и радар(две видеокамеры у Subaru), которые эффективно работают на расстоянии до 40 м. Если пешеход обнаружен видеокамерой и результат подтвержден радаром, система отслеживает движение пешехода, прогнозирует его дальнейшее перемещение и оценивает вероятность столкновения с автомобилем. Результаты обнаружения выводятся на экран мультимедийной (информационно-развлекательной) системы. Система также реагирует на транспортные средства, которые стоят на месте или движутся в попутном направлении.

Если системы установила, что при текущем характере движения автомобиля столкновение с пешеходом неизбежно, посылается звуковое предупреждение водителю. Далее система оценивает реакцию водителя на предупреждение – изменение характера движения автомобиля (торможение, изменение направления движения). Если реакция отсутствует, система обнаружения пешеходов автоматически доводит автомобиль до остановки. В этом качестве система обнаружения пешеходов является производнойсистемы автоматического экстренного торможения.

Система обнаружения пешеходов позволяет полностью избежать столкновения на скорости до 35 км/ч. При большей скорости система не может полностью предотвратить дорожно-транспортное происшествие, но тяжесть последствий для пешехода может быть уменьшена за счет замедления автомобиля перед столкновением. Статистические данные свидетельствуют, что вероятность смертельного исхода от столкновения пешехода с автомобилем на скорости 65 км/ч составляет 85%, 50 км/ч – 45%, 30 км/ч – 5%.

Риск травмирования пешеходов значительно снижается, если система обнаружения пешеходов используется совместно ссистемой защиты пешеходов или подушкой безопасности для пешеходов. Обнаружение пешеходов с помощью инфракрасных камер реализовано в системе ночного видения, но активное предупреждение столкновения в ней не предусмотрено.

Система обнаружения пешеходов показала свою эффективность в сложных условиях городского движения. Она позволяет одновременно отслеживать несколько пешеходов, движущихся различными курсами, различает движение пешеходов с зонтами во время дождя и др. Система неработоспособна ночью и в плохую погоду.

Система обнаружения крупных животных

 

Столкновение с крупными дикими животными является серьезной проблемой дорожного движения. Особенно остро данный вопрос стоит в северных европейских странах Швеции, Норвегии, Финляндии, а также в США и Канаде. Россию также можно добавить в этот список.

Как показывает статистика, 6% всех столкновений составляют аварии с участием крупных диких животных. Можно представить последствия столкновения с взрослым лосем для пассажиров и транспортного средства. И чем выше скорость движения, тем серьезнее последствия аварии. Даже если водителю удалось уйти от столкновения с животным, удержать автомобиль на дороге и избежать аварии не всегда удается.

Шведская компания Volvo, первая из автопроизводителей, разработала систему обнаружения крупных животных и устанавливает ее на свои серийные автомобили. Система обнаружения крупных животных является дальнейшим развитиемсистемы обнаружения пешеходов. Она использует те же аппаратные средства (видеокамера, радар) что и Pedestrian Detection System, а отличается только программным обеспечением, которое позволяет распознавать форму диких животных, характер их перемещения.

Система определяет крупных диких животных (лось, олень), а также домашних животных (лошадь, корова). Животных размером поменьше (косуля, кабан) система не определяет. Для обнаружения диких животных используется видеокамера и радар, которые дополняют друг друга. При обнаружении животного система предупреждает водителя сигналом. При необходимости производитсяавтоматическое экстренное торможение автомобиля. Если столкновения с животным избежать не удается, снижение скорости существенно уменьшает последствия аварии.

По своему к решению проблемы безопасности подошли в Канаде, предложив придорожную систему обнаружения крупных животных. Пилотный проект Large Animal Detection System, LADS (другое название - Roadway Animal Detection System, RADS) отслеживает движение крупных диких животных и предупреждает водителя об их приближении к дороге.

Для обнаружения животных система использует датчики, которые располагаются на столбах вдоль дороги. Ранее в качестве таких датчиков использовался лидар, но по причине частых ложных срабатываний (мелкие животные, осадки, растительность) был заменен на радар.

Радар посылает сигнал во всех направлениях в радиусе 700м. По отраженному сигналу система судит о наличии и направлении движения животных. Когда лось или олень приближаются к дороге, срабатывают сигнальные огни желтого цвета. Мигание огней происходит в течение трех минут, правда животное за это время может далеко уйти от дороги и не представлять опасность. Питание системы производится от солнечных батарей и резервных аккумуляторов.

Как заявляет производитель, система LADS снижает опасность столкновения с большими животными до 80%.

Электронная блокировка дифференциала

 

Электронная блокировка дифференциала (EDS, Elektronische Differenzialsperre) предназначена для предотвращения пробуксовки ведущих колес при трогании автомобиля с места, разгоне на скользкой дороге, движении по прямой и в поворотах за счет подтормаживания ведущих колес. Система получила свое название по аналогии с соответствующей функцией дифференциала.

Система EDS срабатывает при проскальзывании одного из ведущих колёс. Она подтормаживает скользящее колесо, за счет чего на нем увеличивается крутящий момент. Так как ведущие колеса соединены симметричным дифференциалом, на другом колесе (с лучшим сцеплением) крутящий момент также увеличивается.

Система работает в диапазоне скоростей от 0 до 80 км/ч.

Система EDS построена на основе антиблокировочной системы тормозов. В отличие от системы ABS в конструкции электронной блокировки дифференциала предусмотрена возможность самостоятельного создания давления в тормозной системе. Для реализации данной функции используется насос обратной подачии два электромагнитных клапана (на каждое из ведущих колес), включенные в гидравлический блок ABS :

  1.  переключающий клапан;
  2.  клапан высокого давления.

Управление системой осуществляется с помощью соответствующего программного обеспечения в блоке управления ABS.

Электронная блокировка дифференциала, как правило, является составной частью антипробуксовочной системы.

Принцип работы электронной блокировки дифференциала

Работа электронной блокировки дифференциала носит цикличный характер. Цикл работы системы включает три фазы:

  1.  увеличение давления;
  2.  удержание давления;
  3.  сброс давления.

Пробуксовка ведущего колёса определяется на основании сравнения сигналов, поступающих от датчиков угловых скоростей колёс. При этом блок управления закрывает переключающий клапан и открывает клапан высокого давления. Для создания давления в контуре тормозного цилиндра ведущего колеса включается насос обратной подачи. Происходит увеличение давления тормозной жидкости в контуре и торможение ведущего колеса.

При достижении тормозного усилия необходимой для предотвращения пробуксовки величины производится удержание давления. Это достигается отключением насоса обратной подачи.

По окончании пробуксовки производится сброс давления. При этом впускной и переключающий клапаны в контуре тормозного цилиндра ведущего колеса открыты.  

При необходимости цикл работы системы EDS повторяется.

Аналогичный принцип действия имеет система ETS (Electronic Traction System) от Mercedes.

Система помощи при спуске

 

Система помощи при спуске предназначена для предотвращения ускорения автомобиля при движении по горным дорогам. Наличие данной системы на автомобиле повышает удобство управления и безопасность. Система помощи при спуске устанавливается, как правило, на легковые автомобили повышенной проходимости.

В зависимости от автопроизводителя система имеет следующие названия:

  1.  HDC, Hill Descent Control от Volkswagen, BMW и др.;
  2.  DAC, Downhill Assist Control от Toyota;
  3.  DDS, Downhill Drive Support от Nissan.

Система помощи при спуске является программным расширениемсистемы курсовой устойчивости и использует конструктивные элементы данной системы, поэтому по свой сути является функцией, а не системой.

Принцип работы системы основан на поддержании постоянной скорости при спуске за счет подтормаживания колес. Система активируется включением соответствующей клавиши на приборной панели. При этом алгоритм управления системы срабатывает при определенных условиях: автомобиль заведен, педали газа и тормоза отпущены, скорость движения менее 20 км/ч, преодолеваемый уклон более 20%.

Схема системы курсовой устойчивости

На основании сигналов датчиков блок управления включает насос обратной подачи, открывает впускные клапаны и клапаны высокого давления. Выпускные и переключающие клапаны закрыты. За счет этих манипуляций в тормозной системе создается необходимое давление, которое обеспечивает снижение скорости автомобиля до определенного значения. Величина поддерживаемой системой скорости зависит от начальной скорости автомобиля и включенной передачи.

При достижении скорости автомобиля заданного значения торможение прекращается. При дальнейшем ускорении цикл работы системы помощи при спуске повторяется. Таким образом, скорость движения на спуске поддерживается в определенном безопасном диапазоне.

Система помощи при спуске дезактивируется принудительно(повторным нажатием клавиши) или автоматически при нажатии на педаль газа или тормоза, а также снижения величины уклона менее 12%.

Система помощи при подъеме

 

Система помощи при подъеме предназначена для предотвращения откатывания автомобиля при трогании на подъеме (наклонной плоскости). Применение данной системы облегчает трогание автомобиля на подъеме, исключая использование стояночного тормоза, и повышает безопасность. Система устанавливается в качестве опции на некоторые легковые автомобили.

В зависимости от автопроизводителя система имеет следующее название:

  1.  HHC, Hill Hold Control от Volkswagen;
  2.  Hill Holder от Subaru, Fiat;
  3.  HAC, Hill-Start Assist Control от Toyota;
  4.  USS, Uphill Start Support от Nissan.

Система помощи при подъеме построена на базе системы динамической стабилизации и является программным расширением данной системы, поэтому системой, как таковой, не является.

Принцип работы системы основан на замедлении снижения давления в тормозной системе при отпускании педали тормоза. Алгоритм работы системы помощи при подъеме активизируется при определенных условиях: автомобиль заведен, педаль тормоза нажата, величина подъема превышает 5%.

Система работает циклически. Цикл работы включает четыре фазы:

  1.  создание тормозного давления;
  2.  удержание тормозного давления;
  3.  снижение тормозного давления;
  4.  сброс тормозного давления.

Схема системы курсовой устойчивости

При торможении на подъеметормозная система работает в режиме, при котором впускные и переключающие клапаны открыты, а выпускные и клапаны высокого давления закрыты. В результате в системе создается тормозное давление, которое удерживает автомобиль на месте.

При отпускании педали тормоза закрываются переключающие клапаны, в контурах удерживается давление на прежнем уровне, чем предотвращается откатывание автомобиля назад.

При нажатии на педаль газа происходит постепенное открытие перепускных клапанов, которое обеспечивает снижение тормозного давления.

При трогании автомобиля с места и достижении крутящим моментом достаточной для движения величины, переключающие клапаны полностью открываются, и происходит сброс давления в системе.

Необходимо отметить, что система работает всегда на подъем, независимо от направления движения, что актуально для трогания на подъеме задним ходом.

Парковочная система

 

Парковочная система (другое наименование – система помощи при парковке, обиходное название – парктроник) является вспомогательной системой активной безопасности автомобиля, облегчающей процесс парковки автомобиля. Наибольшая эффективность от применения парковочной системы реализуется при движении автомобиля задним ходом, в темное время суток, при сильной тонировке стекол, а также в стесненных условиях (парковка, гараж и др.).

Парковочные системы можно условно разделить на две большие группы – пассивные и активные. Пассивные парковочные системы представляют только необходимую для парковки информацию, при этом управление автомобилем осуществляется водителем. Активные парковочные системы обеспечивают парковку автомобиля в автоматическом или автоматизированном (автоматически выполняются отдельные функции) режиме.

Известными пассивными парковочными системами являются:

  1.  система Parktronic System, PTS на автомобилях Audi;
  2.  система Parking Distance Control, PDC на автомобилях BMW;
  3.  система Acoustic Parking System, APS на автомобилях Audi;
  4.  система Park Assistant на автомобилях Opel;
  5.  система Optical Parking System, OPS на автомобилях Audi.

Пассивные парковочные системы устанавливаются на автомобиль при покупке в качестве опции или отдельно. На один автомобиль может быть установлено несколько пассивных парковочных систем. В основу работы пассивных парковочных систем положен контроль расстояния до препятствия и информирование водителя об этом.

Торговое название Парктроник(Parktronic System), ввиду его популярности, стало нарицательным именем большинства пассивных парковочных систем, устанавливаемых на автомобили. Система Парктроник имеет следующее общее устройство:

  1.  датчики парковки;
  2.  электронный блок управления;
  3.  устройство индикации.

В качестве датчиков парковки используются ультразвуковые датчики. Обычно устанавливается 4-8 датчиков парковки, из которых 4 задних датчика и, при необходимости, 2-4 передних датчика. Датчики устанавливаются, как правило, в переднем и заднем бампере автомобиля.

Датчик посылает сигнал ультразвуковой частоты (порядка 40 кГц) и принимает его отражение от препятствия. Чем меньше время возвращения сигнала, тем ближе находится препятствие. Эффективная работа датчика парковки осуществляется на расстоянии 0,25-1,8 м от препятствия.

Электрические сигналы от датчиков поступают в электронный блок управления. В зависимости от величины сигналов электронный блок формирует информацию для устройства индикации.

Устройство индикации (индикаторное устройство) служит для отображения информации о приближении к препятствию и предупреждения водителя об опасности. В устройствах применяются следующие виды индикации: звуковая; световая; цифровая; оптическая.

Работа звукового индикаторного устройства характеризуется подачей звуковых сигналов с определенной частотой в зависимости от расстояния до препятствия (от прерывистого до непрерывного сигнала). Звуковая сигнализация, например, используется в системе APS.

В устройствах, оборудованных световой индикацией, используется световая шкала, реализованная с помощью светодиодов разного цвета. В зависимости от расстояния до препятствия происходит изменение цвета от зеленого к красному.

Устройство цифровой индикации показывает фактическое расстояние до препятствия. Обычно цифровая индикация совмещена со световой индикацией. Оптическая индикацияпредполагает наличие жидкокристаллического дисплея, на который выносится цифровая и цветовая информация, а также схематическое изображение автомобиля. Примером оптической парковочной системы является система OPS.

С целью улучшения заднего обзора и облегчения движения и паковки задним ходом, в автомобилях может устанавливатьсякамера заднего вида. В настоящее время это одна из востребованных опций, предлагаемых при покупке автомобиля.Видеокамера снимает происходящее за автомобилем и передает на информационный дисплей. Помимо этого, на информационный дисплей может выводиться рекомендуемое направление движения.

Камера заднего вида является одним из элементов системы кругового обзора. Включение камеры производится при включении передачи заднего хода. По своей сути, камера заднего вида является разновидностью пассивной парковочной системы.

Следующим поколением развития парковочных систем являютсяактивные парковочные системы.

Система кругового обзора

 

Система кругового обзора является вспомогательной системой активной безопасности. Она предназначена для оказания помощи водителю при выполнении маневрирования в стесненных условиях (параллельная парковка, перпендикулярная парковка, движение между рядами, выезд на «слепой» перекресток). Система кругового обзора является подсистемой мультимедийной (информационно-развлекательной) системы автомобиля. Работа системы основана на съемке обстановки вокруг автомобиля и выведении соответствующей информации на информационный дисплей.

Система кругового обзора является дальнейшим развитием оптической парковочной системы, построенной на камере заднего вида. Впервые система кругового обзора применена на автомобилях компании Nissan в 2007 году. В настоящее время данную систему имеют в своем арсенале многие ведущие автопроизводители - Mercedes-Benz, BMW, Volkswagen, Land Rover, Nissan, Toyota. Ряд систем кругового обзора имеют собственные названия:

  1.  Around View Monitor, AVM на автомобилях Nissan;
  2.  Surround Camera System на автомобилях Land Rover;
  3.  Area View на автомобилях Volkswagen.

Система кругового обзора устанавливается, в основном, на автомобилях премиум-сегмента. Вместе с тем, Nissan и здесь опередил всех, предложив систему AVM в ряде комплектаций бюджетного кроссовера Qashqai.

Конструктивно система кругового обзора объединяет четыре (пять у Land Rover) видеокамеры с большим углом обзора, интегрированные по периметру кузова автомобиля. Передняя камера (две передних камеры у Land Rover) установлена в радиаторной решетке. Задняя камера встроена в модуль освещения номерного знака. Две боковые камеры базируются в корпусах наружных зеркал заднего вида. Все видеокамеры имеют высокое разрешение, что позволяет передавать изображение с высокой степенью детализации.

«Картинка» с камер передается на дисплей мультимедийной системы. Изображение на дисплее включает обязательный панорамный вид окружения автомобиля (т.н. вид с высоты птичьего полета) и детализированное (увеличенное) изображение с одной или нескольких камер (степень увеличения можно изменять). На изображение с камеры заднего вида выводятся динамические направляющие, указывающие возможную и рекомендуемую траектории движения при парковке. В зависимости от близости автомобиля к окружающим объектам направляющие могут изменять цвет от зеленого (безопасного) до красного (опасного).

Система кругового обзора работает при движении автомобиля на небольшой скорости (до 10 км/ч у Nissan, до 18 км/ч у Land Rover). При превышении заданной скорости система автоматически выключается. Конструкцией предусмотрено два режима работы – автоматический и ручной. Автоматический режим активируется при включении задней передачи коробки передач. На дисплей обязательно выводится изображение с камеры заднего вида. Систему кругового обзора можно включить вручную (принудительно) и выбрать детализированное изображение с любой из камер.

Система автоматической парковки

 

Система автоматической парковки (другое наименование -интеллектуальная система помощи при парковке, обиходное название – парковочный автопилот) относится к активным парковочным системам, т.к. обеспечивает парковку автомобиля в автоматическом или автоматизированном (автоматически выполняются отдельные функции) режиме.

Различные системы автоматической парковки помогают при выполнении параллельной парковки, перпендикулярной парковки. Больше распространены системы с параллельной парковкой. Автоматическая парковка осуществляется за счет согласованного управления углом поворота рулевого колеса и скорости движения автомобиля.

Известными интеллектуальными системами помощи при парковке являются:

  1.  система Park Assist на автомобилях Volkswagen;
  2.  система Park Assist Vision на автомобилях Volkswagen;
  3.  система Intelligent Parking Assist System на автомобилях Toyota, Lexus;
  4.  система Remote Park Assist System на автомобилях BMW;
  5.  система Active Park Assist на автомобилях Mercedes-Benz, Ford;
  6.  система Advanced Park Assist на автомобилях Opel.

Система автоматической парковки имеет следующее общее устройство:

  1.  ультразвуковые датчики;
  2.  выключатель;
  3.  электронный блок управления;
  4.  исполнительные устройства систем автомобиля;
  5.  устройство оптической индикации на панели приборов.

В интеллектуальной системе помощи при парковке используютсяультразвуковые датчики, аналогичные пассивной парковочной системе, но имеющие большую дальность действия (до 4,5 м). Количество датчиков в зависимости от разновидности системы различается. Например в системе Park Assist последнего поколения устанавливается 12 ультразвуковых датчиков: 4 – впереди, 4 сзади и 4 по бокам автомобиля.

Включение системы осуществляется принудительно при необходимости осуществить парковку. Для этого на панели приборов (рулевом колесе) имеется специальный выключатель.

Электронный блок управления принимает сигналы от ультразвуковых датчиков и преобразует их в управляющие воздействия на исполнительные устройства, в качестве которых выступают другие системы автомобиля: электроусилитель рулевого управления,система курсовой устойчивостисистема управления двигателем,автоматическая коробка передач. Взаимодействие с указанными системами осуществляется через соответствующие электронные блоки управления.

Необходимая для автоматической парковки информация выводится на информационный дисплей и используется водителем в процессе парковки.

Работа системы автоматической парковки

Работу системы автоматической парковки условно можно разделить на два этапа: поиск подходящего места на парковке и собственно выполнение парковки.

Поиск подходящего места на парковке производится с помощью ультразвуковых датчиков. Например, в конструкции системы Park Assist для этой цели предусмотрено четыре боковых ультразвуковых датчика - по два с каждой стороны автомобиля. При движении автомобиля вдоль ряда припаркованных машин с определенной скоростью (до 40 км/ч при параллельной парковке и до 20 км/ч при поперечной парковке) датчики фиксируют расстояние между ними, а в системе Park Assist Vision – и их положение относительно транспортного средства (параллельно или перпендикулярно).

Сигналы датчиков обрабатываются электронным блоком управления. Если расстояние для парковки достаточное, система подает сигнал водителю - выводит на информационный дисплей автомобиля соответствующую информацию. В системе Park Assist за достаточное для парковки расстояние принимается расстояние, превышающее длину автомобиля на 0,8 м, в системе Advanced Park Assist – на 1 м.

Парковка транспортного средства может осуществляться двумя способами – непосредственно водителем с помощью предлагаемых системой инструкций или автоматически без участия водителя.

Визуальные и тестовые инструкции водителю выводятся на информационный дисплей. Они касаются рекомендаций по повороту рулевого колеса на определенный угол и направлению движения. Такой способ автоматизированной парковки используется в системе Advanced Park Assist.

Автоматическая парковка производится путем упорядоченного воздействия на исполнительные механизмы систем автомобиля:

  1.  электродвигатель электрического усилителя рулевого управления;
  2.  насос обратной подачи и клапаны тормозных механизмов системы курсовой устойчивости;
  3.  электродвигатель дроссельной заслонки системы управления двигателем;
  4.  электромагнитные клапаны автоматической коробки передач.

С целью безопасности движения работу системы всегда можно перевести из автоматического режима в ручной режим. В последних конструкциях системы автоматическая парковка может производиться при нахождении водителя как в автомобиле, так и за его пределами – с ключа.

Система предотвращения непреднамеренного ускорения

 

При парковке автомобиля с автоматической коробкой передач все чаще происходят случаи непреднамеренного ускорения, вызванные ошибками в действиях водителя: неправильным выбором педали, чрезмерным нажатием педали газа, переключением селектора коробки передач при нажатой педали газа.

Автомобиль неожиданно ускоряется, что приводит к различным авариям – столкновениям с другими автомобилями, сооружениями, пешеходами. Для снижения аварийности при паковке разрабатываются различные системы предотвращения непреднамеренного ускорения. Такие системы в настоящее время предлагают Toyota, Nissan, General Motors.

Компания Toyota разработала две системы предотвращения непреднамеренного ускорения – Intelligent Clearance Sonar и Drive-Start Control. Системы не дублируют, а взаимно дополняют друг друга.

Система Intelligent Clearance Sonarбазируется на несколькихультразвуковых датчиках, которые сканируют пространство впереди и сзади автомобиля. При ускорении автомобиля, связанном с неправильным использованием педалей и чрезмерным нажатием педали газа, датчики определяют положение препятствий и расстояние до них.

Сигналы от датчиков обрабатывает электронный блок управления, который взаимодействует с другими системами автомобиля –системой управления двигателем и системой курсовой устойчивости. С их помощью при необходимости снижается мощность двигателя (торможение двигателем) и активизируетсятормозная система.

Снижение мощности двигателя осуществляется путем закрытиядроссельной заслонки с электрическим приводом. Если торможения двигателем недостаточно для предотвращения аварии активизируется тормозная система. Система курсовой устойчивости автоматически повышает давление в тормозном контуре и автомобиль останавливается.

Система Drive-Start Control предотвращает ускорение автомобиля, вызванное переключением селектора автоматической коробки передач из режима заднего хода (R) в режим движения (D) при нажатой педали газа. В работе системы используется несколько датчиков:

  1.  датчик положения педали газа;
  2.  датчик положения селектора АКПП;
  3.  датчики скорости автомобиля;
  4.  датчик ускорения автомобиля.

Сигналы от датчиков поступают в электронный блок управления. Если система распознает непреднамеренное ускорение автомобиля (селектор коробки передач переключен из R в D, педаль газа нажата, скорость автомобиля увеличивается) производится снижение мощности двигателя путем закрытия дроссельной заслонки.

Адаптивный круиз-контроль

 

Адаптивный круиз-контроль (Adaptive Cruise Control, ACC) предназначен для автоматического управления скоростью движения автомобиля. Адаптивный круиз-контроль является дальнейшим развитием системы круиз-контроля, которая поддерживает заданную постоянную скорость движения.

Известными системами адаптивного круиз-контроля являются:

  1.  Preview Distance Control от Mitsubishi;
  2.  Radar Cruise Control от Toyota;
  3.  Distronic (Distronic Plus) от Mercedes-Benz;
  4.  Active Cruise Control от BMW;
  5.  Adaptive Cruise Control от Volkswagen, Audi, Honda.

Система адаптивного круиз-контроля имеет следующее общее устройство:

  1.  датчик расстояния;
  2.  блок управления;
  3.  исполнительные устройства.

Датчик расстояния служит для измерения скорости и расстояния до впереди идущего автомобиля. В качестве датчика расстояния используются радары или лидары.Радар (Radar, Radio Detection and Ranging) излучает электромагнитные волны на объект и получает обратный сигнал – эхо. Скорость впереди идущего автомобиля оценивается по изменению частоты отраженной волны, а расстояние до машины - по времени возвращения сигнала. Установленные параметры преобразуются в электрические сигналы и передаются в блок управления.

Лидар (Lidar, Liht Detecting and Ranging) использует инфракрасный лазерный луч. Принцип действия лидара аналогичен радару. Лазерные датчики дешевле радаров, но подвержены влиянию погодных условий, поэтому на автомобилях премиум-класса в системе адаптивного круиз-контроля используются, в основном, радары.

Датчик расстояния устанавливается на переднем бампере или решетке радитора автомобиля. Радиус действия датчика составляет порядка 150 м. В последних разработках адаптивного-круиз-контроля используется датчики расстояния короткого и длинного диапазонов. Датчик короткого диапазона обеспечивает замедление автомобиля до полной остановки. Датчик длинного диапазона – до 30 км/ч. Это расширяет функциональные возможности системы и позволяет ее использовать при движении автомобиля с малой скоростью на небольшой дистанции (например, при движении в "пробках"). К примеру, в системе Distronic Plus используется три датчика – один дальнего и два ближнего действия.

Электронный блок управления принимает сигналы от датчиков расстояния, а также входную информацию от других систем, с помощью которых определяется:

  1.  скорость и дистанция до впереди идущего автомобиля;
  2.  скорость управляемого автомобиля;
  3.  угол поворота рулевого колеса;
  4.  боковое ускорение;
  5.  радиус кривой.

Программное обеспечение, установленное в блоке, сравнивает фактические параметры движения с заданными, на основании которого формируются управляющие воздействия по изменению скорости движения. Своих исполнительных устройств система АСС не имеет, а используют другие электронные системы автомобиля, с которыми связывается через блоки управления:

  1.  система курсовой устойчивости;
  2.  дроссельная заслонка с электрическим приводом;
  3.  автоматическая коробка передач.

Принцип работы адаптивного круиз-контроля

Работа системы адаптивного круиз-контроля осуществляется в диапазоне скоростей от 30 до 180 км/ч. Современные системы АСС поддерживают скоростной режим от 0 до 200 км/ч, а также режим торможения и старта в условиях плотного движения (функция Stop and Go).

Адаптивный круиз-контроль обеспечивает движение автомобиля в следующих режимах:

  1.  постоянной скорости;
  2.  ускорения;
  3.  замедления.

При отсутствии на дороге других автомобилей, система поддерживает заданную водителем скорость.

При ускорении или перестроении впереди идущего автомобиля происходит ускорение автомобиля до заданной водителем скорости.

При замедлении или перестроении из соседнего ряда впереди идущего автомобиля происходит замедление автомобиля до заданной водителем дистанции. На низкой скорости замедление достигается за счёт работы тормозной системы (увеличения давления тормозной жидкости в системе), на высокой скорости - за счет снижения мощности двигателя (уменьшения подачи воздуха через дроссельную заслонку) и, при необходимости, работы тормозной системы.

С целью повышения безопасности автомобиля отдельные конструкции адаптивного круиз-контроля могут включать следующие системы:

  1.  систему превентивной безопасности;
  2.  систему экстренного торможения;
  3.  систему GPS-навигации.

Адаптивный круиз контроль служит технической основой разрабатываемых систем автоматического управления автомобилем.

Система аварийного рулевого управления

 

Многие системы активной безопасности воздействуют на продольную динамику автомобиля. Компания Continental предложила новый подход к предотвращению аварий. В дополнение к широко распространенной системе экстренного торможения предложена система аварийного рулевого управления (Emergency Steer Assist, ESA), позволяющая автоматически воздействовать на боковую динамику автомобиля.

Система Emergency Steer Assist является составной частью концепции ContiGuard, которая объединяет разработки в области активной и пассивной безопасности, телематики. Широкое внедрение аварийного рулевого управления планируется с 2014 года.

Система ESA значительно расширяет границы противодействия аварийной ситуации. В случае, когда экстремальное торможение уже неэффективно (пройдена граница торможения), у водителя транспортного средства имеется возможность избежать столкновения путем поворота. Применение системы аварийного рулевого управления еще более актуально в плохих дорожных условиях (снег, дождь), когда разрыв между экстремальным торможением и возможностью уклониться от столкновения значительно увеличивается.

Конструктивно система аварийного рулевого управления построена на базе существующих систем автомобиля. Для раннего обнаружения возможной опасности в системе используется радар(элемент системы адаптивного круиз-контроля) и видеокамера(элемент системы помощи движению по полосе). С помощью датчиков системы динамической стабилизации оценивается характер движения автомобиля и действий водителя.

Информация от датчиков передается в электронный блок управления, который анализирует дорожную ситуацию, при необходимости принимает решение об активации аварийного поворота и формирует управляющие команды на исполнительные устройства. В качестве исполнительных устройств выступаетэлектромеханический усилитель рулевого управлениясистема курсовой устойчивостиактивная подвеска, система активной кинематики заднего моста. Действия водителя всегда имеют преимущество перед управляющими воздействиями системы, если признаются адекватными дорожной ситуации.

В работе системы аварийного рулевого управления различают несколько этапов. При возникновении опасности водитель предупреждается с помощью звукового сигнала или вибрации. В данном случае он может воспользоваться тормозной системой для предотвращения аварии. Если водитель решает уклониться от препятствия, система выбирает оптимальную траекторию движения, при которой обеспечивается стабилизация транспортного средства. Когда экстренное торможение провести уже невозможно автоматически производится аварийный поворот автомобиля.

В городских условиях из-за низкой скорости транспортного средства и высокой плотности трафика экстренная остановка является более эффективной, чем уклонение от столкновения.

Система помощи движению по полосе

 

Система помощи движению по полосе (другие наименования –помощник движения по полосе, ассистент удержания полосы движения) помогает водителю придерживаться выбранной полосы движения и тем самым, предотвращать аварийные ситуации. Система эффективна при движении по автомагистралям и обустроенным федеральным дорогам, т.е. там, где имеется качественная дорожная разметка.

Различают два вида систем помощи движения по полосе: пассивные и активные. Пассивная системапредупреждает водителя об отклонении от выбранной полосы движения. Активная система наряду с предупреждением производит корректирующее вмешательство в работу рулевого управления.

У разных автопроизводителей система помощи движению по полосе имеет свои торговые названия, но предлагаемые системы имеют, в основном, схожую конструкцию:

  1.  Lane Assist от Audi, Volkswagen;
  2.  Lane Departure Warning System от BMW, Citroen, Kia, Ceneral Motors, Opel, Volvo;
  3.  Lane Departure Prevention от Infiniti;
  4.  Lane Keep Assist System от Honda, Fiat;
  5.  Lane Keeping Assist от Mercedes-Benz;
  6.  Lane Keeping Support System от Nissan;
  7.  Lane Monitoring System от Toyota.

Система помощи движению по полосе является электронной системой и имеет следующее устройство:

  1.  клавиша управления;
  2.  видеокамера;
  3.  блок управления;
  4.  исполнительные механизмы.

С помощью клавиши управления производится включение системы. Клавиша может располагаться на рычаге переключения указателей поворота, панели приборов или центральной консоли.

Видеокамера производит запись изображения на определенном расстоянии от автомобиля и его оцифровку. В системе используется монохромная камера, которая распознает линии разметки как резкое изменение градации серого. Камера объединена с блоком управления. Объединенный блок располагается на лобовом стекле за зеркалом заднего вида.

Исполнительными устройствами системы помощи движения по полосе являются:

  1.  контрольная лампа;
  2.  звуковой сигнал;
  3.  вибромотор на рулевом колесе;
  4.  нагревательный элемент лобового стекла;
  5.  электродвигатель электромеханического усилителя руля.

Информация о работе системы выводится на панель приборов в видеконтрольной лампы. Предупреждение водителя производится с помощью вибрации рулевого колеса, а также подачи визуальных звуковых и световых сигналов. Вибрацию создает вибромотор, встроенный в рулевое колесо.

Нагревательный элемент располагается на ветровом стекле, при необходимости автоматически включается, устраняет запотевание и обледенение окна камеры. Корректирующее подруливание система осуществляет с помощью электромеханического усилителя рулячерез электродвигатель.

Во время работы активной системы помощи движения по полосе реализуются следующие основные функции:

  1.  распознавание траектории полосы движения;
  2.  визуальное информирование о работе системы;
  3.  корректировка работы рулевого управления;
  4.  предупреждение водителя.

Обстановка перед автомобилем проецируется на светочувствительную матрицу камеры и преобразуется в черно-белое изображение, которое анализируется электронным блоком управления.

Алгоритм работы блока управления определяет положение линий разметки полосы, оценивает качество распознавания разметки, вычисляет ширину полосы и ее кривизну, рассчитывает положение автомобиля на полосе. На основании проведенных вычислений осуществляются управляющее воздействие на рулевое управление (корректирующее подруливание), и если требуемый эффект удержания автомобиля на полосе не достигается - предупреждается водитель (вибрация рулевого колеса, звуковой и световой сигналы).

При преднамеренном перестроении с одной полосы на другую должен быть включен сигнал поворота, иначе система будет препятствовать маневру. При неблагоприятных условиях(отсутствие одной линии или всей разметки, загрязненное или заснеженное дорожное полотно, узкая полоса движения, нестандартная разметка на ремонтируемых участках, поворот малого радиуса) система деактивируется.

Предусмотрено три режима работы системы помощи движения по полосе:

  1.  система включена и активирована (активный режим);
  2.  система включена и деактивирована (пассивный режим);
  3.  система выключена.

Система помощи при перестроении

 

Перестроение автомобиля из одного ряда движения в другой часто становиться причиной аварий, т.к. водитель не замечает транспортные средства на других полосах. Система помощи при перестроении (другие названия – система мониторинга «слепых» зон, система информирования о «мертвой» зоне, система безопасного перестроения из ряда в ряд) предупреждает водителя об опасности столкновения при смене полосы движения.

Известными разработчиками таких систем являются:

  1.  Audi, Volkswagen - система Side Assist;
  2.  BMW - система Lane Change Warning;
  3.  Mazda - система Rear Vehicle Monitoring, RVM;
  4.  Mercedes-Benz - система Blind Spot Assist;
  5.  Porshe - система Spurwechselassistent, SWA;
  6.  Ford - система Blind Spot Infomation System, BLISTM;
  7.  Volvo – система Blind Spot Information System, BLIS.

Система Audi Side Assist признана Европейским комитетом независимой экспертизы безопасности автомобилей (Euro NCAP) одной из лучших систем безопасности 2010 года.

Принцип работы системы Side Assist основан на контроле зон движения рядом с автомобилем и позади него с помощью радара и включении предупреждающего сигнала при намерении водителя сменить полосу движения и наличии помехи на другой полосе.

Система включает следующие конструктивные элементы:

  1.  кнопка (клавиша) включения на рычаге переключателя указателя поворотов (панели двери);
  2.  радары в наружных зеркалах заднего вида с правой и левой стороны;
  3.  электронные блоки управления;
  4.  сигнальные лампы (предупреждающие индикаторы) на наружных зеркалах заднего вида с правой и левой стороны;
  5.  контрольная лампа на панели приборов.

Система помощи при перестроении включается соответствующимпереключателем, активируется при достижении автомобилем скорости 60 км/ч. Для определения объектов в "слепой" зоне в системе используется радар. Радарные датчики устанавливаются внаружных зеркалах заднего вида и излучают радиоволны в определенную область возле автомобиля. В ряде систем вместо радаров могут устанавливаться видеокамерыультразвуковые датчики.

Электронные блоки управления (по одному на каждую сторону) анализируют отраженные излучения радара, на основании которых:

  1.  производится слежение за подвижными объектами;
  2.  распознаются неподвижные объекты (припаркованные автомобили, дорожное ограждение, столбы и др.);
  3.  при необходимости включается сигнальная лампа.

Сигнальная лампа работает в двух режимах:

  1.  информирования – горит непрерывно при нахождении объекта в «слепой» зоне;
  2.  предупреждения – мигает при перестроении из ряда в ряд и при нахождении объекта в «слепой» зоне.

Намерение водителя перестроится из ряда в ряд, распознается по включенному переключателю указателя поворотов.

Система BLIS в отличие от Side Assist использует для отслеживания «слепой» зоны вместо радара цифровую камеру с режимом съемки 25 кадров/мин. Цифровая камера недостаточно эффективна в условиях плохой видимости (туман, снег).

Система Blind Spot Information System включается специальной кнопкой на панели приборов и активируется на скорости свыше 10 км/ч.

Cистема Rear Vehicle Monitoring при нахождении в опасной зоне другого автомобиля, наряду с светодиодной индикацией, подает звуковой сигнал.

Автомобильная система ночного видения

 

Система ночного видения предназначена для предоставления водителю информации об условиях движения в темное время суток. Система позволяет распознавать всевозможные препятствия, участников дорожного движения, пешеходов на неосвещенной дороге, а также дальнейшую траекторию трассы.

Система помогает снять нагрузку с водителя в условиях плохой видимости и тем самым обеспечивает повышение безопасности движения. В настоящее время система ночного видения устанавливается в качестве опции на легковые автомобили премиум-класса.

Принцип действия системы ночного видения основан на фиксации инфракрасного (теплового) излучения объектов специальной камерой и его проецировании на дисплей в виде серого масштабного образа.

Различают два типа систем ночного видения: активные и пассивные.Активные системы используют дополнительный источник инфракрасного света, устанавливаемый на автомобиль. Они характеризуются высоким разрешением изображения и дальностью работы порядка 150-250 м.

Известными активными системами ночного видения являются:

  1.  Night View Assist от Mercedes-Benz;
  2.  Night View от Toyota.

Пассивные системы ночного видения не имеют собственного источника инфракрасного излучения. Тепловая камера (тепловизор) фиксирует инфракрасное излучение объектов на расстоянии до 300 м. Они имеют высокий уровень контрастности и низкое разрешение изображения.

Пассивные системы ночного видения:

  1.  Night Vision Assistant от Audi;
  2.  Night Vision от BMW;
  3.  Night Vision от General Motors;
  4.  Intelligent Night Vision System от Honda.

Наиболее технически и функционально совершенной системой ночного видения является последняя разработка Mercedes-Benz - система Night View Assist Plus. Помимо стандартных функций информирования водителя, система предупреждает пешеходов о потенциальной опасности.

Конструктивно система Night View Assist Plus объединяет:

  1.  инфракрасные активные камеры в фарах головного света;
  2.  видеокамеру за лобовым стеклом;
  3.  электронный блок управления;
  4.  информационный дисплей в кабине.

Инфракрасные камеры фиксируют дорожную обстановку.Видеокамера определяет, в какое время суток движется машина, а также наличие других машин впереди или на встречной полосе. Информация от камер поступает в электронный блок управления, обрабатывается и выводится на информационный дисплей.

В качестве информационного дисплея используется жидкокристаллический дисплей на щитке приборов (S-класс) или экран навигационной системы (Е-класс). В ранних системах ночного видения информация выводилась на лобовое стекло.

Предупреждение пешеходов об опасности производится путем подачи коротких световых сигналов в сторону пешехода или их освещения в течение пяти секунд фарой автомобиля. При наличии автомобилей впереди или на встречной полосе, система не срабатывает, чтобы не ослеплять других участников движения.

Алгоритм программы реализуется при скорости движения более 45 км/ч и расположении пешеходов на расстоянии не более 80 м.

Еще дальше в данном направлении пошла компания BMW, представив интеллектуальную систему ночного видения для обнаружения пешеходов в опасной близости от проезжей части. Система Dynamic Light Spot с помощью датчиков сердцебиенияопределяет наличие живых существ на расстоянии до 100 м от машины.

Помимо информации, выводящейся на информационный дисплей, система автоматически освещает пешехода. Для этого в места для противотуманных фар установлены поворотные диодные фары, способные освещать объекты, находящиеся вне проезжей части.

На автомобилях BMW система Dynamic Light Spot устанавливается в дополнение к системе ночного видения Night Vision.

Система распознавания дорожных знаков

 

Одной из основных причин дорожно-транспортных происшествий с тяжелыми последствиями является превышение скорости. Система распознавания дорожных знаков призвана предупреждать водителей о необходимости соблюдения скоростного режима. Данная система определяет дорожные знаки ограничения скорости при их проезде и напоминает водителю текущую максимальную разрешенную скорость, если он движется быстрее.

Систему распознавания дорожных знаков (Traffic Sign Recognition,TSR) имеют в своем активе многие известные автопроизводители - Audi,BMW, Ford, Mercedes-Benz, Opel,Volkswagen. Система распознавания дорожных знаков на автомобилях Opel входит в состав системы Opel Eye(вместе с системой Lane Departure Warning). Система Opel Eye отмечена в числе лучших разработок в области автомобильной безопасности 2010 года. Mercedes-Benz назвал свою систему Speed Limit Assist - система контроля ограничения скорости.

Применяемые на автомобилях системы распознавания дорожных знаков имеют типовую конструкцию, которая включает:

  1.  видеокамеру;
  2.  блок управления;
  3.  экран.

Видеокамера располагается на ветровом стекле за зеркалом заднего вида. Камера снимает пространство перед автомобилем в зоне расположения дорожных знаков (справа и сверху по ходу движения) и передает изображение в электронный блок управления. Видеокамера также используется другими системами активной безопасности - системой обнаружения пешеходовсистемой помощи движению по полосе.

Электронный блок управления реализует следующий алгоритм работы:

  1.  распознавание формы дорожного знака (круглая форма);
  2.  распознавание цвета знака (красный цвет на белом);
  3.  распознавание надписи (величина скорости);
  4.  распознавание информационной таблички (вид транспорта, время действия, зона действия );
  5.  анализ фактической скорости автомобиля;
  6.  сравнение скорости автомобиля с максимально допустимой скоростью;
  7.  визуальное и звуковое предупреждение водителя при отклонении.

Изображение в виде знака ограничения скорости выводится наэкран панели приборов (расположен внутри спидометра, на некоторых моделях – на лобовом стекле) и остается видимым, пока ограничение не закончится или будет изменено. В ряде конструкций системы распознавания дорожных знаков электронный блок взаимодействует с навигационной системой, а именно в своей работе использует данные о знаках ограничения скорости из навигационных карт. Даже если знак не будет определен видеокамерой, информация о нем будет выведена на панель приборов.

Система способна распознавать ограничения скорости, действующие для определенного вида транспорта, а также знаки отмены ограничения скорости. Система Opel Eye пошла еще дальше - она распознает наряду со знаками ограничения скорости, знаки, запрещающие обгон.

Система контроля усталости водителя

 

Причиной примерно 25% всех серьезных аварий на дорогах являетсяусталость водителя и, как следствие, засыпание за рулем. Наибольший риск засыпания наблюдается в дальних поездках, особенно в темное время суток и при монотонных дорожных условиях. Практика показывает, что через четыре часанепрерывного вождения реакция водителя снижается в два раза, через восемь часов – в шесть раз.

Система контроля усталостиследит за физическим состоянием водителя и если фиксирует определенные отклонения, предупреждает водителя о необходимости остановки и отдыха.

В зависимости от способа оценки усталости водителя различают два типа систем контроля:

  1.  контроль действий водителя;
  2.  контроль движения автомобиля.

В ранних системах усталость водителя определялась видеоконтролем за поведением глаз. При закрытии глаз происходила вибрация рулевого колеса. На практике данные системы показали низкую эффективность по предупреждении аварии, т.к. реакция водителя на предупреждение слишком запаздывала.

Mercedes-Benz пошел дальше и предложил систему Attention Assist, в которой контроль действий водителя основывался на многих факторах: манере езды, поведении за рулем, использования органов управления, характере и условиях движения и др.

Конструкция системы Attention Assist объединяет датчик рулевого колеса, блок управления, сигнальную лампу и звуковой сигнал оповещения водителя. Датчик рулевого колеса фиксирует динамику действий водителя по вращению рулевого колеса. В своей работе система использует также входные сигналы датчиков других систем автомобиля:

  1.  системы управления двигателем;
  2.  системы курсовой устойчивости;
  3.  тормозной системы;
  4.  системы ночного видения.

Блок управления обрабатывает входные сигналы и определяет:

  1.  стиль вождения (анализ скорости, продольного и бокового ускорения в течение 30 мин. после начала движения);
  2.  условия вождения (анализ времени суток, продолжительности поездки);
  3.  использование органов управления (анализ использования тормоза, подрулевых переключателей, кнопок на панели управления);
  4.  характер вращения рулевого колеса (анализ скорости, ускорения);
  5.  состояние дорожного полотна (анализ бокового ускорения);
  6.  характер движения автомобиля (анализ продольного и бокового ускорения).

В результате проведенных вычислений устанавливаются отклонения в действиях водителя и траектории движения автомобиля. Надисплей панели приборов выводится сигнальная надпись о необходимости сделать перерыв и производится звуковой сигнал. Система активируется на скорости 80 км/ч.

Система Driver Alert Control, DAC от Volvo, в отличие от системы Attention Assist, фиксирует только характер движения автомобиля по дороге. Отклонение от заданных параметров движения рассматривается системой как наступление усталости водителя. Система DAC работает совместно с системой Lane Departure Warning и базируется на ее конструктивных элементах. Система активируется на скорости 60 км/ч.

Система торможения после столкновения

 

Исследования немецкого автомобильного клуба ADAC показали, что примерно четвертая часть аварий с легковыми автомобилями состоит из нескольких эпизодов. Первичное столкновение с другим автомобилем или наезд на препятствие, часто приводит к последующей аварии. Причиной является потеря водителем контроля над автомобилем в момент аварии и как следствие неуправляемое его движение.

Корпорация Continental представила разработку под названием Post Crash Braking, которая позволяет предотвратить вторичные аварии или свести к минимуму их последствия. Система осуществляет автоматическое торможение автомобиля после столкновения и, тем самым, предотвращает возможную последующую аварию. По своей сути система является разновидностью системы экстренного торможения.

Конструктивно система торможения после столкновения базируется на элементах двух систем безопасности: системы пассивной безопасности и системы курсовой устойчивости. На основании сигналов датчиков удара система определяет, что произошло столкновение и передает сигнал по бортовой сети передачи данных в электронный блок управления системы курсовой устойчивости.

Система курсовой устойчивости производит стабилизацию движения автомобиля после аварии и, при необходимости, автоматически доводит его до торможения, чем существенно снижает риск последующих столкновений, травм водителя и пассажиров. Важной особенностью данной системы безопасности является то, что она вернет контроль над автомобилем водителю, как только тот начнет активно работать педалью газа или осуществлять экстренное торможение.

Информация об использовании системы торможения после столкновения на конкретных легковых автомобилях отсутствует. Будем ждать внедрения.

Система коммуникации между автомобилями

 

Одним из перспективных направлений повышения безопасности движения является разработка и внедрение системы коммуникации между автомобилями. Система представляет собой разновидность беспроводной сети (WLAN, Wireless Local Area Network), в которой выделяются два типа узлов – транспортное средство (автомобиль, мотоцикл) и объекты инфраструктуры (светофор, центр регулирования движения). Система коммуникации между автомобилями является составной частью интеллектуальной транспортной системы.

Беспроводный доступ к транспортным средствам (WAVE, Wireless Access in Vehicular Environments) организован в соответствии со стандартом IEEE 802.11p. Система связи ближнего действия (DSRC, Dedicated Short Range Communications) реализуется с 2002 года. Основные характеристики системы: частота - 5,9 ГГц, радиус действия – до 1000 м, скорость транспортного средства – до 100 км/ч. По своей сути это знакомый нам Wi-Fi для автомобилей.

Система коммуникации между автомобилями имеет несколько устоявшихся названий, в Европе это Car-to-Car (Car2Car, C2C), в США – Vehicle-to-Vehicle (V2V). Связь автомобиля с объектами инфраструктуры обозначается как Car-to-Infrastructure (C2I), Vehicle-to-Roadside (V2R). Но все эти названия не раскрывают сущности системы коммуникации, поэтому в последнее время в ходу другое название – Car-to-X (C2X). Под «X» понимаются транспортные средства и объекты инфраструктуры.

В настоящее время над созданием и совершенствованием системы коммуникации между автомобилями работают различные организации, среди которых государственные транспортные учреждения, учебные заведения США и Европы, автопроизводители (Audi, BMW, Daimler, General Motors, Ford, Honda, Mercedes-Benz, Nissan, Opel, PSA, Toyota, Volkswagen, Volvo), производители электронных компонентов (Bosch, Continental, Siemens) и другие компании.

Для консолидации усилий в работе ряд компаний объединились в консорциум (Car-to-Car Communication Consortium). Работа над системой коммуникации организована в рамках отдельных проектов, например в Германии, осуществляется проект Safe Intelligent Mobility – Testfield Germany (SIM-TD).

Для реализации беспроводного соединения на автомобиль устанавливается ряд конструктивных элементов – антенна, приемник, передатчик, блок управления, которые могут быть объединены в единый WLAN-модуль. В качестве модуля может использоваться обычный смартфон с соответствующим программным обеспечением и синхронизированный с автомобилем.

Антенна в модуле обеспечивает беспроводное соединение. Приемник и передатчик соответственно принимают и передают информацию. Основную работу выполняет блок управления. Он обрабатывает входящие внутренние (от автомобиля) и внешние (из сети) сигналы и преобразует их в управляющие выходные сигналы, которые, в свою очередь, транслируются на автомобильную аудиосистему и информационный дисплей. В экстренном случае система коммуникации может воздействовать на органы управления автомобилем, предупреждая аварию.

В системе C2C различают несколько способов предупреждения водителя: звуковой сигнал и цветная полоса на приборной панели, изменяющая цвет в зависимости от степени опасности (Ford, Mercedes-Benz), звуковой сигнал и предупреждающий знак на центральной консоли (General Motors, Toyota), приборной панели (Honda, Hyundai, Nissan, Volkswagen). Некоторые производители в дополнение к визуальной и звуковой сигнализации предлагают к использованию вибрацию спинки сидения водителя (вибрирует та сторона, с которой угрожает опасность).

Систему коммуникации между автомобилями планируется использовать в различных областях, среди которых:

  1.  обеспечение безопасности;
  2.  управление движением;
  3.  осуществление электронных платежей;
  4.  доступ к глобальным информационным ресурсам;
  5.  осуществление контроля движения;
  6.  автоматизация движения автомобиля.

Ряд функций, например, выполнение электронных платежей, полностью проработаны и широко используются во многих странах. Над другими приложениями еще ведется активная работа.

Обеспечение безопасности движения является основной функцией системы коммуникации транспортных средств. Идея заключается в том, что транспортное средство, обнаружившее потенциальную опасность, предупреждает о ней других участников движения. Опасность распознается на основании оценки движения автомобиля и действий водителя. Соответствующие датчики определяют резкое изменение направление движения, скорость вращения отдельных колес, резкое нажатие педали тормоза и др.

Система коммуникации обеспечивает безопасность по следующим направлениям:

  1.  помощь при проезде перекрестка;
  2.  помощь при повороте налево;
  3.  безопасный разъезд со встречным автомобилем;
  4.  предупреждение при выезде на автомагистраль;
  5.  обнаружение препятствий на дороге;
  6.  информирование о дорожно-транспортном происшествии;
  7.  предупреждение об экстренном торможении;
  8.  предупреждение тылового столкновения (электронный стоп-сигнал);
  9.  предупреждение о смене полосы движения;
  10.  предупреждение о плохих погодных условиях;
  11.  информирование о дорожных знаках;
  12.  оповещение о приближающемся мотоциклисте.

Ряд из указанных приложений уже реализованы на современных автомобилях с помощью видеокамеры и радара, например система экстренного торможениясистема помощи при перестроении,система распознавания дорожных знаков. Но технические возможности системы Car-to-Car значительно шире, ни одна из перечисленных систем не может заглянуть за угол.

Система коммуникации между автомобилями находит широкое применение и в управлении движением. Основной целью проводимых мероприятий является предупреждение «пробок», а также адаптация движения к конкретным погодным условиям. Основными направлениями беспроводного регулирования движения являются:

  1.  регулирование скорости потока;
  2.  управление светофорами;
  3.  управление транспортной развязкой;
  4.  обеспечение движения машин специальных служб;
  5.  обеспечение движения в режиме «зеленая волна»;
  6.  предупреждение о «пробке»;
  7.  выбор оптимального маршрута по разным критериям (время, топливо, плата).

Наряду с управлением движением система коммуникации между автомобилями позволяет еще и контролировать это движение, что обязательно будет востребовано надзорными органами (полицией, службой безопасности). Нужен ли водителю такой «большой брат», который будет следить за всеми его действиями?

Система коммуникации может быть использована для получения различного рода контента, не связанного непосредственно с движением. Беспроводная связь с сетью Интернет позволяет проводить поиск информации, загрузку файлов, отправлять (получать) почтовые сообщения, использовать электронные игры.

В перспективе система коммуникации между автомобилями должна стать основой системы автоматического управления автомобилем.

Если разработка системы коммуникации транспортных средств осуществляется достаточно активно, то с внедрением данной системы имеются серьезные проблемы. Основная проблема заключается в низком уровне распространения системы, по причине сравнительно высокой цены WLAN-модуля. Для эффективного использования системы Car-to-Car 10-15% транспортных средств должны быть оснащены беспроводным оборудованием, а до этого пока очень далеко.

Другая проблема – относительно низкая степень надежности системы в определении опасности. Если водитель не получает предупреждение от системы, то это не значит, что впереди нет опасности. Даже если все автомобили и мотоциклы будут оснащены системой C2C, остаются другие участники движения (велосипедисты, пешеходы), у которых данной системы никогда не будет.

При активной работе система коммуникации между автомобилями просто завалит водителя различного рода информацией, из которой далеко не вся нужна для движения. Это, в конечном счете, будет постоянно отвлекать водителя от его основного занятия – вождения автомобиля.

Еще одна проблема связана с конфиденциальностью информации в беспроводной сети. При данном способе связи велика вероятность перехвата информации и использования ее в корыстных целях.

Превентивная система безопасности

 

В последнее время на передний план автомобильных систем безопасности выходят т.н. превентивные (предупреждающие) системы. Превентивная система безопасности (другое наименование – система предупреждения столкновения) призвана избежать столкновения, а если оно произошло - уменьшить тяжесть аварии.

В зависимости от конструкции конкретной системы в ней могут быть реализованы следующие функции:

  1.  предупреждение водителя об опасности столкновения;
  2.  подготовка тормозной системы к экстренному торможению;
  3.  активация отдельных устройств пассивной безопасности;
  4.  частичное или полное автоматическое торможение.

Для реализации данных функций в превентивных системах безопасности используются технологии адаптивного круиз-контролясистемы динамической стабилизациисистемы пассивной безопасности. Ряд превентивных систем, реализующих функцию автоматического торможения, носят название систем экстренного торможения. Таким образом, превентивная система безопасности это эффективный симбиоз систем активной и пассивной безопасности.

Известными превентивными системами безопасности являются:

  1.  Pre-Sense Plus и Pre-Sense Rear от Audi;
  2.  Pre-Safe и Pre-Safe Brake от Mercedes-Benz;
  3.  Collision Mitigation Braking System, CMBS от Honda;
  4.  Collision Warning with Brake Support от Ford;
  5.  Pre-Collision System, PCS от Toyota;
  6.  Front Assist от Volkswagen;
  7.  Collision Warning with Auto Brake от Volvo;
  8.  City Safety от Volvo;
  9.  Predictive Emergency Braking System, PEBS от Bosch.

В число лучших систем безопасности в 2010 году Euro NCAPопределил следующие превентивные системы - Mercedes-Benz Pre-Safe, Mercedes-Benz Pre-Safe Brake; Honda Collision Mitigation Braking System; Volvo City Safety.

Система Pre-Safe реализует следующий алгоритм работы:

Условие

Действие

риск столкновения (радиолокационная информация, экстренное торможение)

натяжение ремней безопасности водителя и переднего пассажира;

перевод угла наклона подушек и спинок передних и задних сидений в оптимальное положение;

подъем задних подголовников

риск заноса и опрокидывания (боковое ускорение)

укрепление подушек и спинок передних и задних сидений (заполнение воздушных камер и образование валиков);

закрытие боковых стекол на передних и задних дверях;

закрытие люка на крыше

 

Интенсивная работа ведется над созданием системы Pre-Safe второго поколения, которую планируется оснастить:

  1.  боковыми панелями кузова, изменяющими форму перед аварией;
  2.  сдвигающимися к центру сидениями передних пассажиров при боковом ударе;
  3.  вертикальной подушкой безопасности между водителем и передним пассажиром;
  4.  надувными ремнями безопасности для задних пассажиров;
  5.  внешней фрикционной подушкой для осуществления экстренного торможения.

Работа системы Pre-Safe Brake включает следующие действия:

Условие

Действие

обнаружение препятствия (автомобиль, человек) в пространстве перед машиной

расчет времени вероятного столкновения

1,6с до расчетного столкновения

подача трех звуковых сигнала предупреждения;

частичное автоматическое торможение (40% от максимального тормозного давления)

водитель среагировал и нажал на педаль тормоза

создание максимального тормозного давления

водитель среагировал и свернул на другую полосу

уменьшение тормозного давления

0,6с до расчетного столкновения, водитель не реагирует на предупреждения

автоматическое создание максимального тормозного давления

 

Работа системы Collision Mitigation Braking System подобна системе Pre-Safe Brake и включает:

Условие

Действие

обнаружение препятствия (автомобиль, человек) с которым вероятно столкновение

подача звуковых и световых сигналов об опасности

водитель не реагирует на предупреждения

натяжение ремней безопасности

1с до столкновения, водитель не реагирует на предупреждения

частичное автоматическое торможение

водитель среагировал и нажал на педаль тормоза

создание максимального тормозного давления

 

Система City Safety представлена следующими превентивными функциями:

Условие

Действие

автомобиль приближается к препятствию со скоростью, которая может привести к аварии;

водитель не реагирует на препятствие

подготовка тормозной системы к торможению (активация насоса на несколько сотых долей секунды, подведение колодок дискам);

уменьшение величины крутящего момента (с помощью блока управления двигателем)

водитель не реагирует на препятствие

автоматическое торможение

водитель реагирует на препятствие (движение рулевого колеса, педали тормоза)

автоматическое торможение не активируется

водитель недостаточно сильно нажал на педаль тормоза

включение в работу системы ЕВА (Emergency Brake Assist) и создание максимального тормозного усилия

 

Система пассивной безопасности

 

Современный автомобиль является источником повышенной опасности. Неуклонный рост мощности и скорости автомобиля, плотности движения автомобильных потоков значительно увеличивают вероятность аварийной ситуации.

Для защиты пассажиров при аварии активно разрабатываются и внедряются технические устройства безопасности. В конце 50-х годов прошлого века появились ремни безопасности, предназначенные для удержания пассажиров на своих местах при столкновении. В начале 80-х годов были применены подушки безопасности.

Совокупность конструктивных элементов, применяемых для защиты пассажиров от травм при аварии, составляет систему пассивной безопасности автомобиля. Система должна обеспечивать защиту не только пассажиров и конкретного автомобиля, но и других участников дорожного движения.

Важнейшими компонентами системы пассивной безопасностиавтомобиля являются:

  1.  ремни безопасности;
  2.  натяжители ремней безопасности;
  3.  активные подголовники;
  4.  подушки безопасности;
  5.  безопасная конструкция кузова;
  6.  аварийный размыкатель аккумуляторной батареи;
  7.  ряд других устройств (система защиты при опрокидывании на кабриолете; детские системы безопасности - крепления, кресла, ремни безопасности).

Современной разработкой являетсясистема защиты пешеходов. Особое место в пассивной безопасности автомобиля занимает система экстренного вызова.

Cхема системы пассивной безопасности

Современная система пассивной безопасности автомобиля имеет электронное управление, обеспечивающее эффективное взаимодействие большинства компонентов.

 

Система управления включает:

  1.  входные датчики;
  2.  блок управления;
  3.  исполнительные устройства компонентов системы.

Входные датчики фиксируют параметры, при которых возникает аварийная ситуация, и преобразуют их в электрические сигналы. К входным датчикам оносятся:

  1.  датчик удара;
  2.  выключатель замка ремня безопасности;
  3.  датчик занятости сидения переднего пассажира;
  4.  датчик положения сидения водителя и переднего пассажира.

На каждую из сторон автомобиля устанавливается, как правило, по два датчика удара. Они обеспечивают работу соответствующих подушек безопасности. В задней части датчики удара применяются при оборудовании автомобиля активными подголовниками с электрическим приводом.

Выключатель замка ремня безопасности фиксирует использование ремня безопасности.

Датчик занятости сидения переднего пассажира позволяет в случае аварийной ситуации и отсутствии на переднем сидении пассажира сохранить соответствующую подушку безопасности.

В зависимости от положения сидения водителя и переднего пассажира, которое фиксируется соответствующими датчиками, изменяется порядок и интенсивность применения компонентов системы.

На основании сравнения сигналов датчиков с контрольными параметрами блок управления распознает наступление аварийной ситуации и активизирует необходимые исполнительные устройства элементов системы.

Исполнительным устройствами элементов системы пассивной безопасности являются:

  1.  пиропатрон подушки безопасности;
  2.  пиропатрон натяжителя ремня безопасности;
  3.  пиропатрон (реле) аварийного размыкателя аккумуляторной батареи;
  4.  пиропатрон механизма привода активных подголовников (при использовании подголовников с электрическим приводом);
  5.  контрольная лампа, сигнализирующая о непристегнутых ремнях безопасности.

Активизация исполнительных устройств производится в определенном сочетании в соответствии с заложенным программным обеспечением.

При фронтальном ударе в зависимости от его силы могут сработать:

  1.  натяжители ремней безопасности;
  2.  фронтальные подушки безопасности и натяжители ремней безопасности.

При фронтально-диагональном ударе в зависимости от его силы и угла столкновения могут сработать:

  1.  натяжители ремней безопасности;
  2.  фронтальные подушки безопасности и натяжители ремней безопасности;
  3.  соответствующие (правые или левые) боковые подушки безопасности и натяжители ремней безопасности:
  4.  соответствующие боковые подушки безопасности, головные подушки безопасности и натяжители ремней безопасности;
  5.  фронтальные подушки безопасности, соответствующие боковые подушки безопасности, головные подушки безопасности и натяжители ремней безопасности.

При боковом ударе в зависимости от силы удара могут сработать:

  1.  соответствующие боковые подушки безопасности и натяжители ремней безопасности;
  2.  соответствующие головные подушки безопасности и натяжители ремней безопасности;
  3.  соответствующие боковые подушки безопасности, головные подушки безопасности и натяжители ремней безопасности.

При ударе сзади в зависимости от силы удара могут сработать:

  1.  натяжители ремней безопасности;
  2.  размыкатель аккумуляторной батареи;
  3.  активные подголовники.

Ремни безопасности

 

Самым распространенным конструктивным элементом системы пассивной безопасности автомобиля являются ремни безопасности. Ремни безопасности предназначены для предотвращения опасного перемещения человека, которое может произойти при столкновении или резком торможении. Использование ремней безопасности снижает вероятность и тяжесть травм от ударов о жесткие части кузова, стекла, с другими пассажирами (т.н. вторичные удары). Пристегнутые ремни безопасности обеспечивают эффективную работу подушек безопасности.

Виды ремней безопасности

По числу мест крепления различают следующие виды ремней безопасности:

  1.  двухточечные ремни безопасности;
  2.  трехточечные ремни безопасности;
  3.  четырех-, пяти- и шеститочечные ремни безопасности.

Двухточечные ремни безопасности в настоящее время можно встретить в качестве среднего ремня на заднем сидении некоторых старых автомобилей, а также на пассажирских местах в самолетах. Двухсторонний ремень безопасности представляет собой поясной ремень, проходящий по талии и закрепленный с двух сторон сидения.

Трехточечные ремни безопасностиявляются основным видом ремня безопасности и устанавливаются на всех современных автомобилях. Трехточечный диагонально-поясной ремень безопасности имеет V-образное расположение, которое обеспечивает равномерное распределение энергии движущегося тела на грудь, таз и плечи. Первые серийные трехточечные ремни безопасности были предложены компанией Volvo в 1959 году, разработчик - Нильс Болин.

Четырехточечные ремни безопасности устанавливаются на спортивных автомобилях. Имеют четыре точки крепления к сидению автомобиля. Для серийных автомобилей являются перспективной конструкцией, для установки ремня необходимы дополнительные верхние крепления ремня, которые не предусмотрены конструкцией автомобиля.

Пятиточечные ремни безопасностииспользуются на спортивных автомобилях, а также для закрепления детей в детских автомобильных сидениях. Включают два поясных ремня, два плечевых ремня и один ремень, находящийся между ног. Шеститочечные ремни безопасности имеют два ремня между ног, за счет чего обеспечивается более надежная фиксация пилота гоночного автомобиля.

Перспективной конструкцией являются надувные ремни безопасности, которые наполняются газом при аварии. Они увеличивают площадь контакта с пассажиром и соответственно уменьшают нагрузки на человека. надувная секция может быть только плечевой, а также плечевой и поясной. Как показывают испытания, данная конструкция ремня безопасности обеспечивает дополнительную защиту от бокового удара.

В качестве меры против неиспользования ремней безопасности с 1981 года предлагаются автоматические ремни безопасности. Данные ремни безопасности автоматически закрепляют пассажира при закрытии двери (запуске двигателя) и освобождают его при открытии двери (остановке двигателя). Автоматизировано, как правило, движение плечевого ремня, который движется по краям дверной коробки. Поясной ремень закрепляется вручную. Ввиду сложности конструкции, неудобства посадки в автомобиль автоматические ремни безопасности в настоящее время практически не применяются.

Устройство трехточечного ремня безопасности

Трехточечный ремень безопасности имеет следующее устройство:

  1.  лямка;
  2.  замок;
  3.  втягивающая катушка.

Лямка ремня безопасности изготавливается из прочного материала. Лямка крепится к кузову с помощью специальных устройств в трех точках: на стойке, на пороге и на специальной тяге с замком. Для адаптации ремня к росту конкретного человека во многих конструкциях предусматривается регулирование верхней точки крепления по высоте.

Замок обеспечивает запирание ремня безопасности и устанавливается возле сиденья автомобиля. Для соединения с замком на лямке выполнен подвижный металлический язычок. Для напоминания о необходимости применения ремня безопасности в конструкции замка предусматривается выключатель, который включен в цепь аудиовизуальной сигнальной системы. Предупреждение происходит с помощью сигнальной лампы на приборной панели и звукового сигнала. Алгоритм работы данной системы имеет отличия у разных автопроизводителей.

Втягивающая катушка обеспечивает принудительную размотку и автоматическую смотку ремня безопасности. Она крепиться на стойке кузова автомобиля. Катушка оснащена инерционным механизмом блокировки, который останавливает движение ремня в катушке при аварии. Используется два способа блокировки - в результате движения (инерции) автомобиля и в результате движения самого ремня безопасности. Ремень можно вытянуть из барабана катушки только медленно без ускорения.

Современные автомобили оснащаются ремнями безопасности снатяжителями.

Натяжитель ремня безопасности

 

Современные автомобили оснащаются ремнями безопасности с натяжителями (преднатяжителями). Натяжитель ремня безопасности предназначен для заблаговременного предотвращается перемещение человека вперёд (относительно движения автомобиля) при аварии. Это достигается за счет сматывания и уменьшения свободы прилегания ремня безопасности.

Натяжитель обеспечивает сматывание отрезка ремня безопасности длиной до 130 мм за время 13 мс.

Нередко под натяжителем ремня безопасности ошибочно понимаютвтягивающее устройство ремня безопасности.

Натяжители, как правило, устанавливаются на замке ремня безопасности. Реже натяжители устанавливаются на втягивающем устройстве ремня безопасности.

По принципу действия различают следующие конструкции натяжителей ремней безопасности:

  1.  тросовый;
  2.  шариковый;
  3.  роторный;
  4.  реечный;
  5.  ленточный.

Указанные конструкции натяжителей оснащаются механическим или электрическим приводом. Привод натяжителя представляет собой способ воспламенения пиропатрона:

  1.  механический привод основывается на воспламенении пиропатрона механическим способом (накалывание бойком);
  2.  электрический привод предполагает воспламенение пиропатрона электрическим сигналом от электронного блока управления (или от отдельного датчика).

Работа натяжителей ремней безопасности в зависимости от конструкции может осуществлятся как в составе системы пассивной безопасности, так и автономно.

При аварии задние датчики удара передают соответствующий сигнал в блок управления, который активирует пиропатрон и приводит в действие натяжители ремней безопасности.

Для предотвращения значительных нагрузок на пассажиров при аварии, натяжитель оснащается ограничителем усилия натяжения ремня безопасности. Ограничитель при определённой нагрузке ослабляет действие ремня безопасности на человека.

Простейшим ограничителем усилия натяжения ремня безопасности является петля, прошитая на ремне безопасности. При превышении определенного усилия натяжения ремня безопасности швы в петле рвутся, и ремень становится длиннее.

В современных конструкциях усилие натяжения ремня безопасности ограничивается торсионным валом в катушке ремня безопасности. В зависимости от усилия натяжения ремня безопасности торсионный вал скручивается, уменьшая нагрузку.

 Подушки безопасности

 

Подушки безопасности автомобиля (общепринятое мировое название - airbag) предназначены для смягчения удара водителя и пассажиров о рулевое колесо, элементы кузова и окна при автомобильной аварии. Подушки безопасности применяются совместно с ремнями безопасности. Свою историю подушки безопасности ведут с момента опубликования патента Уолтера Линдерера в 1953 году.

Виды подушек безопасности

Современные легковые автомобили имеют несколько подушек безопасности, которые располагаются в разных местах салона автомобиля. В зависимости от места расположения различают следующие виды подушек безопасности:

  1.  фронтальные подушки безопасности;
  2.  боковые подушки безопасности;
  3.  головные подушки безопасности;
  4.  коленные подушки безопасности;
  5.  центральная подушка безопасности.

Впервые фронтальные подушки безопасности были применены на автомобилях Mercedes-Benz в 1981 году. Различают фронтальную подушку безопасности водителя и переднего пассажира. Для фронтальной подушки безопасности переднего пассажира предусматривается, как правило, возможность отключения. В ряде конструкций фронтальных подушек используется двухступенчатое и даже многоступенчатое срабатывание в зависимости от тяжести аварии (т.н. адаптивные подушки безопасности). Фронтальная подушка безопасности водителя располагается в рулевом колесе, переднего пассажира - в верхней правой части передней панели.

Боковые подушки безопасностипризваны снизить риск травмирования таза, грудной клетки и брюшной полости при аварии. Пионером в применении боковых подушек безопасности является компания Volvo, которая в 1994 году начала предлагать их для установки в качестве опции. Боковые подушки безопасности устанавливаются обычно в спинке переднего сидения. Ряд автомобилей предлагают боковые подушки безопасности на задних сидениях. Самые продвинутые боковые подушки безопасности имеют двухкамерную конструкцию. Она включает более жесткую нижнюю часть для защиты таза и мягкую верхнюю часть - для грудной клетки.

Головные подушки безопасности(другое наименование - "шторки" безопасности) служат, как следует из названия, для защиты головы при боковом столкновении. Впервые "шторки" безопасности начала устанавливать компания Toyota в 1998 году. Располагается в зависимости от модели автомобиля в передней части крыши, между стойками и в задней части крыши. Подушки защищают пассажиров переднего и заднего рядов сидений.

Коленная подушка безопасностизащищает колени и голени водителя от травм. Располагается под рулевым колесом. Впервые применена на автомобилях Kia в 1996 году. В ряде моделей устанавливается коленная подушка безопасности переднего пассажира, которая устанавливается под "бардачком".

 

В 2009 году Toyota предложилацентральную подушку безопасности, которая призвана снизить тяжесть вторичных повреждений пассажиров при боковом столкновении. Располагается в подлокотнике переднего ряда сидений, центральной части спинки заднего сидения. Центральные подушки для переднего и заднего ряда сидений планирует использовать Mercedes-Benz в своей системе Pre-Safe второго поколения.

В настоящее время подушки безопасности выходят за границы салона легкового автомобиля. Компания Volvo предлагает с 2012 года на своих автомобилях подушку безопасности для пешеходов.

Устройство подушки безопасности

Подушка безопасности представляет собой эластичную оболочку, наполняемую газом, газогенератор и систему управления.

Собственно подушка изготавливается из нейлоновой ткани. Для смазки подушки безопасности используется тальк или крахмал, которые можно наблюдать в воздухе салона при срабатывании подушки.

Газогенератор служит для наполнения оболочки подушки газом. В совокупности оболочка и газогенератор образуют модуль подушки безопасности. Конструкции газогенераторов различают по форме (куполообразные и трубчатые), по характеру работы (с одноступенчатым и двухступенчатым срабатыванием), по способу газообразования (твердотопливные и гибридные).

Твердотопливный газогенератор состоит из корпуса, пиропатрона и заряда твердого топлива. Заряд представляет собой смесь азида натрия, нитрата калия и диоксида кремния. Воспламенение топлива происходит от пиропатрона и сопровождается образованием газа азота. Гибридный газогенератор состоит из корпуса, пиропатрона, заряда твердого топлива и газового заряда под высоким давлением (сжатый азот или аргон). Наполнение подушки безопасности происходит сжатым газом, который освобождается выталкивающим зарядом из твердого топлива.

В различных видах подушек безопасности используются следующие газогенераторы:

Вид подушки безопасности

Характеристика газогенератора

фронтальная подушка безопасности водителя

куполообразный;

с одноступенчатым или двухступенчатым срабатыванием;

твердотопливный или гибридный

фронтальная подушка безопасности пассажира

трубчатый;

с одноступенчатым или двухступенчатым срабатыванием;

твердотопливный или гибридный

боковая подушка безопасности

трубчатый;

с одноступенчатым срабатыванием;

твердотопливный или гибридный

головная подушка безопасности

трубчатый;

с одноступенчатым срабатыванием;

гибридный

 

Система управления подушками безопасности объединяет традиционные компоненты датчики удара, блок управления и исполнительное устройство (пиропатрон газогенератора).

Принцип действия подушек безопасности

Активация подушек безопасности происходит при ударе. В зависимости от направления удара активируются только определённые подушки безопасности. Если сила удара превышает заданный уровень, датчики удара передают сигнал в блок управления. После обработки данных всех датчиков блок управления определяет необходимость и время срабатывания подушек безопасности и других компонентов системы пассивной безопасности.

В зависимости от типа и степени тяжести аварии могут срабатывать, например, только натяжители ремней безопасности или натяжители ремней безопасности вместе с подушками безопасности. Блок управления подает электрический сигнал для включения газогенераторов соответствующих подушек безопасности. Время срабатывания подушки безопасности составляет порядка 40 мс. Газогенератор обеспечивает раскрытие и надувание газом подушки. После соприкосновения с человеком подушка разрывается и сдувается.

Подушки безопасности являются одноразовыми устройствами. В случае возгорания автомобиля (повышения температуры в салоне до 150-200°С) все подушки безопасности автоматически срабатывают.

Условия срабатывания подушек безопасности

Фронтальные подушки безопасности срабатывают при следующих условиях:

  1.  превышение силы лобового удара заданной величины;
  2.  наезд на твердый прочный предмет (бордюр, край тротуара, стенка ямы);
  3.  жесткое приземление после прыжка;
  4.  падение автомобиля;
  5.  косой удар в переднюю часть автомобиля.

Фронтальные подушки безопасности не срабатывают при ударе автомобиля сзади, боковом ударе, опрокидывании автомобиля.

Условием срабатывания боковых и головных подушек безопасности является превышение силы бокового удара заданной величины.

Алгоритмы срабатывания подушек безопасности постоянно совершенствуются и становятся все сложнее. Современные алгоритмы учитывают скорость движения транспортного средства, скорость его замедления, вес пассажира и место его расположения, использование ремня безопасности, а также наличие детского кресла.

Активные подголовники

Подголовники предназначены для снижения вероятности травмирования шейного отдела позвоночника при аварии.

Различают активные и пассивные подголовники.

В пассивных системах безопасность шейного отдела позвоночника достигается за счет конструкции сиденья и подголовника.

Активный подголовник при аварии приближается к голове, тем самым уменьшается вероятность травмирования шейного отдела позвоночника.

Конструкция активного подголовника может иметь следующие виды привода:

  1.  механический;
  2.  электрический.

Механический привод более простой. При аварии инерционное движение человека в сидении автомобиля передаётся через рычажный механизм к подголовнику, который перемещается к голове. Как только давление на спинку сидения снижается, пружина возвращает подголовник в исходное положение.  

Релизация электрического привода активного подголовника предполагает наличие электронной системы управления. В состав системы управления входят датчики удара, блок управления и собственно механизм привода. Основу механизма составляет пиропатрон с электрическим воспламенением.

Датчики удара устанавливаются в задней части автомобиля. Сигналы от датчиков принимает общий блок управления элементами пассивной безопасности. В зависимости от силы и направления удара он регулирует работу привода.

Безопасная конструкция кузова

 

Кузов является важным элементом системы пассивной безопасности современного автомобиля. Исходя из требований безопасности кузов автомобиля должен иметь конструкцию, обеспечивающую выживание водителя и пассажиров при аварии.

Безопасная конструкция кузова автомобиля разрабатывается исходя из следующих принципов:

  1.  для поглащения энергии столкновения передняя и задняя части автомобиля должны быть деформируемыми;
  2.  для выживания пассажиров каркас салона автомобиля должен иметь максимальную жесткость и прочность.

Деформация передней и задней части автомобиляобеспечивается путем продольного складывания, т.н. "гармошки". Для этого коробчатые профили, из которых изготавливается кузов, имеют углубления и выступы в определенных расчетных местах - точках концентрации напряжений.

При расчете передней части автомобиля учитываются дополнительные силы инерции и жесткость таких элементов, как двигатель и колеса.

Чтобы силовая конструкция кузовамогла соответствовать предъявляемым требованиям, в ней используются прочные и особо прочные стали.

В сильно нагруженных зонах каркаса салона используются конструктивные элементы, изготовленные методом горячей штамповки. Применение таких элементов позволяет уменьшить массу кузова и обеспечить более высокую жёсткость каркаса салона в случае аварии.

При фронтальном столкновении особое внимание уделяется минимизации смещения элементов конструкции автомобиля в пространство для ног водителя и пассажира.

Требования к прочности кузова при ударе сзади складываются из жёсткости каркаса салона и деформируемости задней части кузова. Защита топливной системы от удара сзади обеспечивается геометрией задней подвески и расположением топливного бака.

При боковом столкновении важнейшими конструктивными элементами, воспринимающими основную энергию бокового удара, являются средняя стойка и двери. При их изготовлении используются сверхвысокопрочные материалы. Центральным звеном системы является средняя стойка, которая переносит возникающие силы на порог и каркас крыши. Двери, усиленные диагональными брусьями безопасности, также гасят чрезмерную энергию столкновения. Таким образом, при боковом столкновении достигается невысокая скорость смятия и минимальное смещение конструктивных элементов внутрь салона.

В ряде моделей автомобилей наряду со стальными элементами кузова применяются алюминиевые конструкции. Благодаря рациональному использованию стали и алюминия обеспечиваются высокие показатели по прочности и жёсткости конструкции и сбалансированное распределение веса.

Для снижения вероятности травмирования пешеходов в переднем бампере автомобиля используется эластичный ударопоглощающий (защитный) элемент. Он позволяет достичь определенной зоны деформации передней части кузова при ударе.

Аварийный размыкатель аккумуляторной батареи

 

Аварийный размыкатель предназначен для предотвращения короткого замыкания в электрической системе и возможного возгорания автомобиля. Аварийным размыкателем аккумуляторной батареи оснащаются автомобили, у которых аккумуляторная батарея установлена в салоне или багажном отделении.

Различают следующие конструкции аварийного размыкателя:

  1.  пиропатрон отключения аккумуляторной батареи;
  2.  реле отключения аккумуляторной батареи.

Пиропатрон отключенияустанавливается на положительной клемме аккумуляторной батареи. Пирапотрон срабатывает по команде блока управления системы пассивной безопасности. Размыкание  производится за счет газов, возникающих при срабатывании пиропатрона.

Реле отключения срабатывает также по команде блока управления.

Активированный при аварии пиропатрон или реле подлежат замене

Система защиты пешеходов

 

Система защиты пешеходов предназначена для уменьшения последствий столкновения пешехода с автомобилем при дорожно-транспортном происшествии. Система производится компаниями TRW Hodings Automotive (Pedestrian Protection System, PPS), Bosch (Electronic Pedestrian Protection, EPP), Siemens и с 2011 года устанавливается на серийные легковые автомобили европейских производителей. Перечисленные системы имеют аналогичую конструкцию.

Как всякая электронная система, система защиты пешеходов включает следующие конструктивные элементы:

  1.  входные датчики;
  2.  блок управления;
  3.  исполнительные устройства.

Cхема системы защиты пешеходов

В качестве входных датчиков используются датчики ускорения(Remote Acceleration Sensor, RAS). 2-3 таких датчика устанавливаются в переднем бампере. Дополнительно может устанавливаться контактный датчик.

Система может работать как с собственным электронным блоком управления, так и с блоком управления системы пассивной безопасности. Предпочтительным является использование блока управления системы пассивной безопасности, реализуемое с помощью интегрированного программного обеспечения. Этим достигается повышение эффективности всей системы пассивной безопасности.

Исполнительными устройствами системы защиты пешеходов выступают подъемники капота, устанавливаемые с двух сторон капота параллельно движению. Подъемники имеют пиротехнический или пружинно-пиротехнический привод.

Принцип работы системы защиты пешеходов основан на открытии капота при столкновении автомобиля с пешеходом, чем достигается увеличение пространства между капотом и частями двигателя и соответственно уменьшение травмирования человека. По сути, поднятый капот выступает в качестве подушки безопасности.

При столкновении автомобиля с пешеходом датчики ускорения и контактный датчик передают сигналы в электронный блок управления. Блок управления в соответствии с заложенной программой при необходимости инициирует срабатывание пиропатронов подъемников капота.

Помимо представленной системы на автомобилях для защиты пешеходов используются следующие конструктивные решения, снижающие травматизм при столкновении:

  1.  "мягкий" капот;
  2.  бескаркасные щетки;
  3.  мягкий бампер;
  4.  покатый наклон капота и ветрового стекла;
  5.  увеличенное расстояние между двигателем и капотом.

Дальнейшим развитием системы защиты пешеходов являетсяПодушка безопасности для пешеходов.

Подушка безопасности для пешеходов

 

Дальнейшим развитием системы защиты пешеходов является подушка безопасности для пешеходов (Pedestrian Airbag System), которая представлена компанией Volvo в 2012 году. Система предназначена для снижения степени повреждения пешехода при столкновении с автомобилем. Подушка безопасности надувается снаружи автомобиля и закрывает нижнюю часть лобового стекла и боковые стойки. Пешеходная подушка безопасности работает в тандеме с другой системой от Volvo – системой обнаружения пешеходов (Pedestrian Detection).

Подушка безопасности для пешеходов действует на скорости от 20 до 50 км/ч и не может быть отключена водителем. По статистике большинство (75%) дорожно-транспортных происшествий с участием пешеходов происходит на скорости до 40 км/ч.

Подушка безопасности для пешеходов состоит из следующих конструктивных элементов:

  1.  датчики столкновения;
  2.  блок управления (модуль защиты пешехода);
  3.  механизмы освобождения шарнира капота;
  4.  подушка безопасности.

В системе пешеходной подушки безопасности используется семь датчиков столкновения (датчиков ускорения), которые устанавливаются в переднем бампере автомобиля. Сигналы от датчиков столкновения постоянно поступают в модуль защиты пешехода. В случае столкновения с пешеходом, блок управления определяет степени тяжести столкновения и при необходимости активирует исполнительные устройства системы – механизмы освобождения шарнира капота и подушку безопасности.

К каждому из двух шарниров капота крепится механизм освобождения, имеющий пиротехнический привод. Механизм освобождения капота включает твердотопливный газогенератор, срабатывающий от пиропатрона. Газогенератор приводит в движение поршень, который в свою очередь выбивает стержень шарнира капота и освобождает крепление капота со стороны лобового стекла.

Подушка безопасности для пешеходов располагается под капотом, между ним и лобовым стеклом. Подушка безопасности традиционно состоит из тканевой оболочки и газогенератора. Для мгновенного заполнения устройства используется балонный газогенератор. При срабатывании подушка безопасности поднимает освобожденный от крепления капот на 10 см, чем создаются дополнительные условия для защиты пешеходов – увеличивается расстояние между капотом и частями.

В совокупности подушка безопасности и поднятый капот обеспечивают существенное снижение травматизма при столкновении пешехода с автомобилем.

Система экстренного вызова

 

Система экстренного вызова служит для автоматического оповещения аварийных служб о дорожно-транспортном происшествии и своевременного оказания медицинской помощи пассажирам автомобиля.

Использование системы экстренного вызова позволяет значительно сократить уровень травматизма при дорожно-транспортных происшествиях.

Известными системами экстренного вызова, отмеченными Европейским комитетом независимой экспертизы безопасности автомобилей Euro NCAP в 2010 году, являются:

  1.  Assist Advanced eCall от BMW;
  2.  Connect SOS от Peugeot;
  3.  Localized Emergency Call от Citroen.

Система Assist Advanced eCall распознает тяжесть дорожно-транспортное происшествие по показаниям датчиков систем активной и пассивной безопасности. После чего она сканирует все доступные GSM-сети и выбирает канал для передачи SMS-сообщения об аварии. Система автоматически связывается с колл-центром (центром обслуживания звонков) BMW и предоставляет подробную информацию о ДТП:

  1.  точное местоположение;
  2.  скорость автомобиля;
  3.  скорость замедления автомобиля;
  4.  количество пассажиров;
  5.  положение автомобиля (наличие опрокидывания);
  6.  количество сработавших подушек безопасности;
  7.  количество сработавших натяжителей ремней безопасности.

По полученным данным прогнозируется тяжесть травм пассажиров, срочность и объем оказания медицинской помощи. Сразу после происшествия система устанавливает прямую голосовую связь между людьми в автомобиле и специалистами колл-центра. Уточняется характер аварии и состояние пассажиров. Аварийные службы вызываются на основании обобщенных данных. Если пассажиры без сознания и не отвечают на запросы, вызов аварийных служб производится на основании переданных системой данных.

К месту аварии выдвигаются специализированные автомобили. При необходимости может использоваться вертолет. Параллельно выбирается ближайшее лечебное учреждение, соответствующее типу и тяжести полученных травм.

Вызов аварийных служб можно произвести вручную из салона автомобиля, например для того, чтобы предупредить о происшествии с другими участниками движения.

Аналогичным образом работают системы от Peugeot и Citroen.

Российские автомобили к 2013 году будут оснащаться системой экстренного вызова на основе спутниковой навигационной системы ГЛОНАСС, позволяющей вызывать ГИБДД и службу скорой помощи при аварии. Конструктивно система интегрирована с навигатором.

Система спасения из затонувшего автомобиля

 

Большое количество аварий связано с попаданием автомобиля в различные водоемы – реки, озера, каналы. Десятки аварий завершаются гибелью водителя и пассажиров в результате утопления. Люди не могут открыть окна, двери и своевременно высвободится из автомобиля. Время в таких авариях является важным фактором спасения.

Наиболее предусмотрительные водители возят в своем автомобиле маленький молоток, который располагают в доступном месте. Молотком всегда можно воспользоваться при затоплении автомобиля. Но стекла современных автомобилей становятся все прочнее, разбить их сложнее, поэтому легкий молоток проблему уже не решает.

Голландские инженеры разработали систему Rescue and Escape Guidance System (REGS), которая позволяет водителю и пассажирам выбраться из затонувшего автомобиля. Система спасения построена на разрушении боковых стекол при попадании автомобиля в воду, чем достигается быстрое и беспрепятственное освобождение.

Система REGS включает несколькодатчиков давления, расположенных в боковых дверях автомобиля. Каждый из датчиков взаимодействует с т.н.активатором, который обеспечивает разрушение стекла. Активатор крепится к нижнему торцу стекла. Конструктивно он объединяет пиропатрон и металлический ударник.

При попадании автомобиля в воду датчик мгновенно откликается на повышение давления и генерирует сигнал, поступающий в активатор. По сигналу срабатывает пиропатрон, который воздействует на ударник. Ударник, в свою очередь, с большой силой бьет по торцу стекла. От удара в стекле возникает множество трещин по всей поверхности. Теперь, чтобы разбить стекло и высвободится из автомобиля, требуется минимальное усилие.

Дополнительно к разработанной системе боковые стекла могут оснащаться световыми полосами по краям. Свет инициируется при контакте автомобиля с водой от датчика давления. Данное устройство способствует ориентации людей, находящихся в темноте или мутной воде.

В настоящее время система Rescue and Escape Guidance System тестируется в Нидерландах на нескольких автомобилях Volvo. В перспективе именно компания Volvo планирует устанавливать систему на свои автомобили.

Электрооборудование автомобиля

 

Электрооборудование автомобиля (другое наименование –электрическая система автомобиля) предназначено для выработки электрической энергии и питания различных систем и устройств автомобиля.

Электрооборудование автомобиля имеет следующее общее устройство:

  1.  источники тока;
  2.  потребители тока;
  3.  элементы управления;
  4.  электрическая проводка.

Все конструктивные элементы электрооборудования объединены вбортовую сеть.

Источниками тока в автомобиле являются аккумуляторная батарея и генератор.

Аккумуляторная батареяпредназначена для питания потребителей электрическим током при неработающем двигателе, запуске двигателя, а также работе двигателя на малых оборотах.

Основным источником электрического тока является генератор. Он обеспечивает питание электрическим током всех потребителей, а также зарядку аккумуляторной батареи.

Емкость аккумуляторной батареи и мощность генератора должны соответствовать мощности потребителей электроэнергии на всех режимах эксплуатации автомобиля, т.е. в системе должен поддерживаться энергетический баланс.

Потребителей энергии условно можно разделить на три группы: основные, длительные и кратковременные. Основные потребители энергии обеспечивают работоспособность автомобиля. К ним относятся:

  1.  топливная система;
  2.  система впрыска;
  3.  система зажигания;
  4.  система управления двигателем;
  5.  автоматическая коробка передач;
  6.  электроусилитель рулевого управления.

Длительные потребители:

  1.  система охлаждения;
  2.  система освещения;
  3.  системы активной безопасности;
  4.  система пассивной безопасности;
  5.  система отопления и кондиционирования;
  6.  противоугонные системы;
  7.  аудиосистема;
  8.  система навигации.

К кратковременным потребителям относятся большинство систем комфортасистема запускасвечи накаливания, звуковой сигнал, прикуриватель.

Элементы управления обеспечивают согласованную работу источников тока и потребителей электроэнергии. В системе используются следующие элементы управления: щитки предохранителей, блоки реле, электронные блоки управления. Они расположены, как правило, децентрализованно.

На современных многие функции реле и выключателей возложены на электронные блоки управления, но полностью отказаться от этих устройств пока невозможно. Например, на блок управления бортовой сетью осуществляет следующие функции:

  1.  контроль потребления энергии;
  2.  контроль напряжения на клеммах аккумуляторной батареи и при необходимости повышение частоты вращения коленчатого вала двигателя на холостом ходу;
  3.  регулирование нагрузки за счет отключения отдельных потребителей, в основном из числа систем комфорта;
  4.  управление системой освещения, стеклоочистителями, обогревателем заднего стекла и др.

В бортовой сети автомобиля помимо традиционной электрической проводки используются мультиплексные системы - т.н. шины данных, обеспечивающие соединение электронных блоков управления между собой и передачу сигналов управления в цифровом виде.

Автомобильный генератор

 

Автомобильный генератор – электрическая машина, преобразующая механическую энергию в электрический ток. В автомобиле генератор используется для зарядки аккумуляторной батареи и питания электрооборудования при работающем двигателе. В качестве автомобильного генератора применяется генератор переменного тока.

Генератор располагается, как правило, в передней части двигателя и приводится от коленчатого вала. Нагибридных автомобилях генератор выполняет функции стартера, т.н.стартер-генератор. Аналогичная схема используется в некоторых конструкциях системы стоп-старт. Ведущими производителями генераторов являются фирмы Bosch, Denso, Delphi.

Различают два типа конструкций автомобильных генераторов – традиционную и компактную. Помимо геометрических размеров, данные конструкции имеют отличия в компоновке вентилятора, устройстве корпуса, приводного шкива, выпрямительного узла. Вместе с тем, можно выделить следующее общее устройство автомобильного генератора:

  1.  ротор;
  2.  статор;
  3.  корпус;
  4.  щеточный узел;
  5.  выпрямительный блок;
  6.  регулятор напряжения.

Схема автомобильного генератора

Основное предназначение ротора – создание вращающегося магнитного поля. Для этого на валу ротора находится обмотка возбуждения, помещенная в две полюсные половины. Каждая из полюсных половин имеет по шесть выступов - клювов. На валу ротора расположены два контактных кольца, через которые осуществляется питание обмотки возбуждения. Кольца, как правило, медные, реже стальные или латунные. Выводы обмотки возбуждения припаяны непосредственно к кольцам.

В зависимости от конструкции на валу ротора размещается одна или две крыльчатки вентилятора, а также закрепляется ведомый приводной шкив. Подшипниковый узел ротора представлен двумя шариковыми необслуживаемыми подшипниками. На валу со стороны контактных колец также может устанавливаться роликовый подшипник.

Статор служит для создания переменного электрического тока. Конструктивно он объединяет металлический сердечник и обмотки. Сердечник набирается из стальных пластин. Для навивки обмоток в сердечнике выполнено 36 пазов. В пазах укладывается три обмотки, образующие т.н. трехфазное соединение. Различают петлевой или волновой способ укладки обмоток в пазы. Соединение обмотокмежду собой может осуществляться по двум схемам:

  1.  схема «звезда» (одни концы обмоток соединены в одной точке, другие являются выводами);
  2.  схема «треугольник» (последовательное кольцевое соединение концов обмоток, выводы из точек соединения).

В корпусе размещается большинство конструктивных элементов генератора. Корпус представляет собой две крышки – переднюю (со стороны приводного шкива) и заднюю (со стороны контактных колец). Крышки стянуты между собой с помощью болтов. Крышки изготавливаются, как правило, из алюминиевого сплава – легкого, немагнитного и легко рассеивающего тепло. На поверхности крышек выполнены вентиляционные окна, а также две (двухлапное крепление генератора) или одна (однолапное крепление генератора) крепежные лапы.

Щеточный узел обеспечивает передачу тока возбуждения на контактные кольца. Узел включает две графитные щетки, пружины их прижимающие и щеткодержатель. На современных генераторах щеткодержатель объединен с регулятором напряжения в единый неразборный узел.

Выпрямительный блок служит для преобразования синусоидального напряжения, вырабатываемого генератором, в напряжение постоянного тока бортовой сети автомобиля. Выпрямительный блок представляет собой пластины, выполняющие роль теплоотводов, на которых смонтированы диоды. Блок содержит шесть силовых полупроводниковых диодов, по два на каждую фазу, один на «положительный», другой – на «отрицательный» вывод генератора.

На некоторых генераторах обмотка возбуждения подключена через отдельную группу, состоящую из двух диодов. Данные выпрямители препятствуют протеканию тока разряда аккумуляторной батареи через обмотку при неработающем двигателе. При соединении обмоток по типу «звезда» на нулевом выводе устанавливается два дополнительных силовых диода, что позволяет увеличить мощность генератора до 15%.

Включение выпрямительного блока в схему генератора производится на специальных монтажных площадках с помощью пайки, сварки или болтового соединения.

Регулятор напряжения предназначен для поддержания напряжения генератора в определенных пределах. Современные генераторы оснащаются полупроводниковыми электронными (интегральными) регуляторами напряжения. Различают следующие конструкции электронных регуляторов:

  1.  гибридное исполнение – электронные приборы и радиоэлементы используются в электронной схеме вместе с толстопленочными микроэлектронными элементами;
  2.  интегральное исполнение – все компоненты регулятора напряжения, кроме выходного каскада, выполнены с помощью тонкопленочной микроэлектронной технологии.

Стабилизация напряжения, необходимая при изменении частоты вращения коленчатого вала двигателя и нагрузки, осуществляется автоматически за счет воздействия на ток в обмотке возбуждения. Регулятор управляет частотой импульсов тока и их продолжительностью.

Регулятор напряжения осуществляет изменение напряжения, подводимого для зарядки аккумуляторной батареи, в зависимости от температуры воздуха (т.н. термокомпенсация напряжения). Чем ниже температура воздуха, тем большее напряжение подводится к аккумуляторной батарее.

Привод генератора осуществляется посредством ременной передачи и обеспечивает вращение ротора со скоростью в 2-3 раза превышающую частоту вращения коленчатого вала. В зависимости от конструкции генератора в передаче используется клиновый или поликлиновый ремень. Область применения клинового ремня ограничена размерами ведомого шкива (при определенном диаметре шкива клиновый ремень быстро изнашивается).

Поликлиновый ремень более универсальный, т.к. применим при небольших диаметрах ведомого шкива, и следовательно с его помощью может быть реализовано большее передаточное число. На современных моделях генераторов привод осуществляется поликлиновым ремнем.

На автомобилях может устанавливаться т.н. индукторный(бесщеточный) генератор. Такой генератор имеет ротор, представляющий собой набор спрессованных тонких пластин из трансформаторного железа (ротор из магнитомягкой пассивной ферромассы). Обмотка возбуждения помещена на статоре. Электродвижущая сила в индукторном генераторе получается путем изменения магнитной проводимости воздушного зазора между ротором и статором.

Работа автомобильного генератора

При повороте ключа в замке зажигания, ток от аккумуляторной батареи через щеточный узел и контактные кольца поступает на обмотку возбуждения. В обмотке наводится магнитное поле. С вращением коленчатого вала двигателя начинает вращаться ротор генератора. Магнитное поле ротора пронизывает обмотки статора, на выводах которых возникает переменное напряжение. При достижении определенной частоты вращения генератор переходит в режим самовозбуждения, т.е. обмотка возбуждения запитывается непосредственно от генератора.

Выпрямительный блок преобразует переменное напряжение в напряжение постоянного тока. В таком состоянии генератор обеспечивает требуемый ток для зарядки аккумуляторной батареи и питания потребителей. При изменении частоты вращения коленчатого вала двигателя и нагрузки в работу включается регулятор напряжения. Он регулирует время включения обмотки возбуждения. При возрастании частоты вращения генератора и уменьшении внешней нагрузки время включения обмотки возбуждения уменьшается, наоборот, при уменьшении частоты вращения и увеличения нагрузки – увеличивается.

В случае, когда потребляемый ток превышает возможности генератора, в работу включается аккумуляторная батарея. Для контроля работоспособного состояния генератора на панели приборов имеется контрольная лампа (лампа контроля заряда).

Параметры генератора

К основным параметрам генератора относятся:

  1.  номинальное напряжение;
  2.  номинальный ток;
  3.  номинальная частота вращения;
  4.  частота самовозбуждения;
  5.  коэффициент полезного действия.

В зависимости от конструкции электрической системы автомобиля номинальное напряжение составляет 12 или 24 В. За номинальный ток принимается максимальный ток отдачи при номинальной частоте вращения, которая составляет 6000 об/мин. Зависимость величины силы тока от частоты вращения генератора называетсятокоскоростной характеристикой. Помимо номинальных значений токоскоростная характеристика включает другие характерные точки:

  1.  минимальная рабочая частота вращения и минимальный ток (минимальный ток составляет 40-50% от номинального тока);
  2.  максимальная частота вращения и максимальный ток (максимальный ток превышает номинальный ток не более 10%).

Автомобильный аккумулятор

 

Автомобильный аккумулятор является важным элементом электрооборудования - наряду с генератором выступает источником тока. В автомобиле аккумуляторная батарея выполняет несколько функций:

  1.  питание стартера при запуске двигателя;
  2.  питание потребителей при выключенном двигателе;
  3.  питание потребителей в дополнение к генератору при включенном двигателе.

При совместной работе с генератором аккумуляторная батарея обеспечивает переходные процессы, требующие большого тока, а также сглаживает пульсацию тока в электрической сети.

Устройство аккумуляторной батареи

На легковых автомобилях в качестве стартерных применяются свинцово-кислотные аккумуляторные батареи. Конструкция аккумуляторных батарей постоянно совершенствуется.

Схема аккумуляторной батареи

Каждая батарея состоит из шести последовательно соединенных аккумуляторов, объединенных в одном корпусе. Корпус изготавливается из пропилена, стойкого к кислоте и не проводящего ток. Отдельный аккумулятор объединяет чередующиеся положительные и отрицательные электроды, покрытые слоем активной массы. Изоляцию пластин противоположной полярности обеспечивает пластмассовый сепаратор.

Электроды изготавливаются из свинцового сплава. В современных аккумуляторах положительные и отрицательные электроды изготавливаются из свинцово-кальциевого сплава. Такие батареи имеют низкий уровень саморазряда (потеря 50% емкости за 18 месяцев) и минимальный расход воды (1 г/Ач). Это дает возможность полностью исключить добавление воды за период эксплуатации – необслуживаемая аккумуляторная батарея.

Реже можно встретить более дешевую конструкцию, т.н.гибридную аккумуляторную батарею. В ней положительные электроды свинцово-сурмяные, а отрицательные – свинцово-кальциевые. В таких батареях расход воды в полтора-два раза больше кальциевой батареи, но они также не требуют обслуживания.

Для повышения стойкости электродов к коррозии в свинцово-кальциевый сплав может добавляться серебро, олово.

Электроды имеют решетчатую структуру. Технологии изготовления положительных и отрицательных электродов отличаются. Решетка отрицательных электродов по технологии Expanded metalполучается путем просечки свинцового листа с последующей растяжкой.

При производстве положительных электродов используется несколько технологий. Самая совершенная технология Power Frame. Каждый электрод Power Frame имеет опорную раму и внутренние жилки определенной направленности, чем достигается высокая жесткость и минимальное линейное расширение. Более простые электроды, изготовленные по технологии Power Pass(вертикальные жилки стягиваются к ушку электрода), Chess Plate(жилки электродов расположены в шахматном порядке).

Каждый электрод покрывает слой активной массы. У положительных электродов активная масса состоит из диоксида свинца. В отрицательных пластинах активная масса представлена губчатым свинцом.

Электроды помещены в электролит, в качестве которого используется раствор серной кислоты. Электролит имеет определенную плотность, которая изменяется в зависимости от степени заряженности аккумуляторной батареи (чем выше заряженность, тем выше плотность).

В зависимости от физического состояния электролита различают два вида аккумуляторных батарей: с жидким электролитом и с пропитавшим специальный материал (нежидким) электролитом. Сегодня наиболее распространены аккумуляторные батареи с жидким электролитом.

Новые системы автомобиля, такие как система стоп-стартсистема рекуперативного торможения, предъявляют повышенные требования к аккумуляторной батарее - высокий пусковой ток, стойкость к глубокому разряду, долговечность. Этим требованиям отвечаютаккумуляторные батареи AGM (Absorbed Glass Material), в которых электролит удерживается в микропористом материале. В батарею заливается такое количество электролита, которое может впитать материал. Данная технология обеспечивает повышение эффективности активной массы за счет лучшего поглощения кислоты.

Промежуточное положение между аккумуляторами с жидким электролитом и AGM батареями занимают аккумуляторные батареи EFB (Enhanced Flooded Battery) – технология влажного электрода. В батарее EFB электроды покрыты пленкой из микроволокна, которая удерживает энергию и обеспечивает стабильность к циклическому разряду. Батарея, при этом, заполнена жидким электролитом.

В перспективе аккумуляторы типа AGM и EFB полностью заменят свинцово-кальциевые батареи с жидким электролитом. Сдерживающим фактором пока выступает высокая цена новых источников тока.

Зарядка аккумуляторной батареи сопровождается газообразованием. Отвод газов от аккумуляторной батареи осуществляется с помощью системы вентиляции. Центральная система вентиляции соединяет каждый отдельный аккумулятор в составе батареи с атмосферой. За счет предохранительных клапанов система герметична. Клапан устанавливается в пробке аккумулятора и срабатывает при определенном избыточном давлении. Система носит название Valve Regulated Lead Acid Battery или VRLA батарея. Кислород и водород, образующиеся при заряде, не покидают аккумулятор, а взаимодействуют между собой с образованием воды. Их выход происходит только при высоком напряжении заряда.

Система вентиляции лабиринтной конструкции более совершенна. Она обеспечивает конденсацию выходящих паров и возвращение жидкости обратно в аккумулятор. Отдельные аккумуляторные батареи оборудуются пламегасителем, который в случае возгорания выходящих паров отсекают пламя от батареи и не пускают его внутрь. Пламегаситель устанавливается на выходе вентиляционной системы и представляет собой мембрану из особого материала.

Подключение аккумуляторной батареи к электрической сети производится с помощью двух свинцовых выводов. Положительный вывод всегда толще отрицательного, что исключает ошибку при подключении батареи. Полярность (расположение) выводов может быть прямой или обратной. При прямой полярности положительный вывод батареи расположен слева, при обратной полярности справа. Необходимо помнить, что длина проводов, которыми подключается аккумулятор, рассчитана на определенную полярность.

Автомобильные аккумуляторы оборудуются индикатором заряженности батареи, т.н. «глазком». Плотность электролита оценивается по цвету «глазка» («зеленый» – батарея заряжена, «черный» – недостаточный заряд, «желтый» – низкий уровень электролита).

На автомобиле аккумуляторные батареи жестко закрепляются с помощью специального крепления, предупреждающего их повреждение и разлив электролита. Крепление может быть верхнее(рамка) или нижнее (скоба, закрепляемая за выступы основания). Для батарей, располагающихся в центральной части или багажнике автомобиля предусматривается аварийный размыкатель аккумуляторной батареи.

Работа аккумуляторной батареи

Принцип действия аккумуляторной батареи основан на преобразовании электрической энергии в химическую энергию при заряде и наоборот химической энергии в электрическую при разряде. Работа аккумуляторной батареи носит циклический характер: разряд-заряд.

Разряд происходит при подключении потребителей. При разряде активная масса положительных (диоксид свинца) и отрицательных (губчатый свинец) электродов взаимодействует с электролитом. При этом образуется сульфат свинца и вода, плотность электролита уменьшается.

При работающем двигателе аккумуляторная батарея заряжается от генератора. Аккумуляторную батарею также можно зарядить с помощью специального зарядного устройства. При зарядке сульфат свинца и вода преобразуются в свинец, двуокись свинца и серную кислоту. Плотность электролита повышается.

Заряд батареи должен производиться при оптимальном напряжении. Высокое напряжение приводит к сильному разложению воды и снижению уровня электролита. Низкое напряжение чревато неполной зарядкой батареи и, соответственно, уменьшением срока ее службы.

Работа аккумуляторной батареи зависит от температуры окружающего воздуха. При повышении температуры увеличивается отдаваемая мощность, но вместе с ней увеличивается саморазряд и коррозия электродов. Понижение температуры сопровождается снижением разрядной емкости, замедлением химических процессов и уменьшением плотности электролита.

При отсутствии нагрузки процессы в аккумуляторной батарее продолжаются - происходит ее саморазряд. Величина саморазряда зависит от температуры окружающего воздуха и конструкции батареи (электродов).

Срок службы аккумуляторной батареи составляет в среднем 4-5 лет и во многом зависит от режима эксплуатации. Производители постоянно работают над повышением эффективности аккумуляторной батареи, увеличением срока ее службы. Среди перспективных направлений:

  1.  внедрение системы управления энергетическим балансом (регулирует подключение потребителей);
  2.  использование двух аккумуляторных батарей (одна для запуска, другая для всего остального);
  3.  совершенствование конструкции аккумуляторных батарей (AGM, EFB технологии).

Параметры автомобильного аккумулятора

Основными параметрами автомобильной аккумуляторной батареи являются: номинальная емкость, номинальное напряжение и ток холодной прокрутки. Данные параметры отражаются в маркировке аккумуляторной батареи, которая наносится на корпусе.

Номинальная емкость определяется отдаваемой энергией полностью заряженной батареи при двадцатичасовом разряде. Измеряется в ампер-часах (Ач). К примеру, батарея емкостью 50 Ач в течение двадцати часов может отдавать ток 2,5 А.

Большее практическое значение имеет т.н. резервная емкость. Данный неофициальный параметр измеряется в минутах. Резервная емкость аккумуляторной батареи легкового автомобиля при нагрузке 25 А и падении напряжения до 10,5 В должна составлять не менее 90 минут. В течение данного промежутка времени аккумулятор может работать за себя и за генератор.

Номинальное напряжение аккумуляторной батареи складывается из напряжения отдельных аккумуляторов. Номинальное напряжение аккумуляторной батареи легкового автомобиля составляет 12 В.

Ток холодной прокрутки определяет возможность аккумуляторной батареи при запуске в холодное время. Представляет собой величину тока, который батарея способна отдать при температуре -18оС в течение 10 с напряжением не менее 7,5 В. Чем выше ток холодной прокрутки, тем легче двигатель будет запускаться зимой.

Система запуска двигателя

 

Система запуска двигателя, как следует из названия, предназначена для запуска двигателя автомобиля. Система обеспечивает вращение двигателя со скоростью, при которой происходит его запуск.

На современных автомобилях наибольшее распространение получиластартерная система запуска. Система запуска двигателя входит в состав электрооборудования автомобиля. Питание системы осуществляется постоянным током от аккумуляторной батареи.

Система запуска имеет следующее устройство:

  1.  стартер с тяговым реле и механизмом привода;
  2.  замок зажигания;
  3.  комплект соединительных проводов.

Стартер создает необходимый крутящий момент для вращенияколенчатого вала двигателя. Он представляет собой электродвигатель постоянного тока. Конструктивно стартер состоит из статора (корпуса), ротора (якоря), щеток со щеткодержателем, тягового реле и механизма привода.

Тяговое реле обеспечивает питание обмоток стартера и работу механизма привода. Для выполнения своих функций тяговое реле имеет обмотку, якорь и контактную пластину. Внешнее подключение к тяговому реле осуществляется через контактные болты.

Механизм привода предназначен для механической передачи крутящего момента от стартера на коленчатый вал двигателя. Конструктивными элементами механизма являются: рычаг привода (вилка) с поводковой муфтой и демпферной пружиной, муфта свободного хода (обгонная муфта), ведущая шестерня. Передача крутящего момента осуществляется путем зацепления ведущей шестерни с зубчатым венцом маховика коленчатого вала.

Замок зажигания при включении обеспечивает подачу постоянного тока от аккумуляторной батареи к тяговому реле стартера.

Система запуска, устанавливаемая на бензиновые и дизельные двигатели, имеет аналогичную конструкцию. Для облегчения запуска дизельных двигателей в холодное время система запуска может оборудоваться свечами накаливания, которые подогревают воздух во впускном коллекторе. С этой же целью на автомобилях применяются системы предпускового подогрева.

Дальнейшим развитием системы запуска двигателя являются:

  1.  система автоматического запуска двигателя;
  2.  система интеллектуального доступа в машину и запуска двигателя;
  3.  система Стоп-Старт;
  4.  система непосредственного запуска Direct Start.

Работа системы запуска осуществляется следующим образом. При повороте ключа в замке зажигания ток от аккумуляторной батареи поступает на контакты тягового реле. При протекании тока по обмоткам тягового реле происходит втягивание якоря. Якорь тягового реле перемещает рычаг механизма привода и обеспечивает зацепление ведущей шестерни с зубчатым венцом маховика.

При движении якорь также замыкает контакты реле, при котором происходит питание током обмоток статора и якоря. Стартер начинает вращаться и раскручивает коленчатый вал двигателя.

Как только происходит запуск двигателя, обороты коленчатого вала резко возрастают. Для предотвращения поломки стартера срабатывает обгонная муфта, которая отсоединяет стартер от двигателя. При этом стартер может продолжать вращаться.

При повороте ключа в замке зажигания стартер останавливается. Возвратная пружина тягового реле перемещает якорь, который в свою очередь возвращает механизм привода в исходное положение.

Система Стоп-старт

 

Система Стоп-старт предназначена для экономии топлива, снижения вредных выбросов и шума за счет сокращения времени работы двигателя на холостом ходу. Как показывает практика эксплуатации автомобиля, режим холостого хода составляет до 30% общего времени работы двигателя. Этому способствуют частые остановки на светофорах, нахождение в пробках, являющиеся атрибутами большого города.

До недавнего времени система Стоп-старт применялась в основном на гибридных автомобилях. Сегодня ситуация коренным образом меняется. Практически все ведущие автопроизводители имеют в своем модельном ряду автомобили, оборудованные данной системой. По прогнозам экспертов к 2015 годуполовина выпускающихся легковых автомобилей будет оборудоваться системой Стоп-старт.

Принцип работы системы Стоп-старт заключается в выключении двигателя при остановке автомобиля и его быстром запуске при нажатии на педаль сцепления (механическая коробка передач) или отпускании педали тормоза (автоматическая коробка передач).

Конструктивно система Стоп-старт включает следующие элементы:

  1.  устройство, обеспечивающее многократный запуск двигателя;
  2.  система управления.

Существует несколько подходов к реализации функции многократного запуска двигателя:

  1.  усиленный стартер;
  2.  реверсивный генератор (стартер-генератор);
  3.  впрыск топлива в цилиндры и воспламенение смеси.

Самым простым и надежным с точки зрения конструкции являетсясистема Stop&Start фирмы Bosch. Благодаря данной системе название «стоп-старт» стало нарицательным названием остальных систем. Система Stop&Start устанавливается на автомобили BMW,Audi и обеспечивает снижение потребления топлива, вредных выбросов до 8%.

Основу системы составляет специальный стартер, рассчитанный на большое количество пусков двигателя и имеющий увеличенный срок службы. Стартер оборудован усиленным малошумным механизмом привода, гарантирующим быстрый, надежный и бесшумный запуск двигателя.

Система управления осуществляет выполнение следующих функций:

  1.  остановка двигателя;
  2.  запуск двигателя;
  3.  контроль заряда аккумуляторной батареи.

Как и все современные электронные системы управления система управления Stop&Start включает:

  1.  входные датчики;
  2.  блок управления;
  3.  исполнительные устройства.

К входным датчикам относятся датчик частоты вращения коленчатого вала, датчик положения педали сцепления (датчик положения педали тормоза), датчик аккумуляторной батареи, а также другие датчики системы управления двигателем.

Своего электронного блока система не имеет, а использует мощности блока управления двигателем, где установлено соответствующее программное обеспечение.

Исполнительными устройствами системы являются:

  1.  форсунки системы впрыска;
  2.  катушки зажигания системы зажигания;
  3.  стартер.

Работа системы Stop&Start осуществляется следующим образом. При остановке автомобиля перед светофором или в пробке система, на основании сигнала датчика частоты вращения коленчатого вала, останавливает двигатель. Питание потребителей электрического тока (кондиционера, аудиосистемы и др.) производится отаккумуляторной батареи. При нажатии педали сцепления (отпускании педали тормоза на автомобиле с автоматической коробкой передач) система активирует стартер и производит запуск двигателя. В дальнейшем цикл остановки и запуска двигателя продолжается.

Если величина заряда аккумуляторной батареи опускается ниже заданной величины, система на основании сигнала соответствующего датчика выключается. Включение системы производится после зарядки аккумуляторной батареи. Система может быть принудительно отключена с помощью специальной кнопки на панели приборов.

Аналогичную конструкцию имеет система ISG (Idle Stop&Go) отKia Motors. Основное отличием данной системы заключается в управлении автомобильным генератором. Так, при высокой нагрузке на двигатель для снижения потребления топлива генератор отключается, при торможении генератор включается и производится подзарядка аккумуляторной батареи. При падении мощности аккумуляторной батареи ниже 75% от номинальной система выключается. Система выключается также при использовании кондиционера.

Система STARS (Starter Alternator Reversible System), выпускаемая фирмой Valeo, в своей работе использует реверсивный генератор. Система устанавливается на автомобилях Citroen,Mercedes и позволяет снизить расход топлива до 10%.

Реверсивный генератор представляет собой электрическую машину переменного тока, которая в зависимости от условий может выполнять функции генератора и стартера. Работу реверсивного генератора обеспечивает специальный приводной ремень и иобратимый натяжитель, позволяющий передавать усилие в двух направлениях. Реверсивный генератор бесшумно работает и имеет меньшее время запуска (0,4с в сравнении с 0,8с для обычного стартера).

Управление системой STARS производится с помощью отдельного электронного блока управления, который взаимодействует с блоком управления двигателем. Состав входных датчиков аналогичен другим системам Стоп-старт.

Дальнейшим развитием данной системы является использованиерекуперативного торможения для создания дополнительной энергии и снижения расхода топлива.

Компания Mazda разработала систему SISS (Smart Idle Stop System), которая является альтернативой других систем Стоп-старт. В данной системе для многократного запуска двигателя используется впрыск топлива в цилиндры и воспламенение топливно-воздушной смеси. Система устанавливается на бензиновые двигатели , оборудованные непосредственным впрыском топлива.

Для обеспечения работы системы SISS поршни в цилиндрах останавливаются в определенных положениях, оптимальных для дальнейшего запуска двигателя. С началом движения (при отпускании педали тормоза) в цилиндры впрыскивается топливо и воспламеняется топливно-воздушная смесь, т.о. производится запуск двигателя. При запуске двигателя в дополнение энергии сгорания топлива используется энергия стартера, который включается на непродолжительное время.

Снижение расхода топлива при применении данной системы достигает 9%. Система SISS работает только с автоматической трансмиссией.

 Система управления двигателем

 

Системой управления двигателем называется электронная система управления, которая обеспечивает работу двух и более систем двигателя. Система является одним из основных электронных компонентов электрооборудования автомобиля.

Генератором развития систем управления двигателем в мире является немецкая фирма Bosch. Технический прогресс в области электроники, жесткие нормы экологической безопасности обусловливают неуклонный рост числа подконтрольных систем двигателя.

Свою историю система управления двигателем ведет от объединенной системы впрыска и зажигания. Современная система управления двигателем объединяет значительно больше систем и устройств. Помимо традиционных систем впрыска и зажигания под управлением электронной системы находятся:

  1.  топливная система;
  2.  система впуска;
  3.  выпускная система;
  4.  система охлаждения;
  5.  система рециркуляции отработавших газов;
  6.  система улавливания паров бензина;
  7.  вакуумный усилитель тормозов.

Термином "система управления двигателем" обычно называют систему управления бензиновым двигателем. В дизельном двигателе аналогичная система называется система управления дизелем.

Система управления двигателем имеет следующее общееустройство:

  1.  входные датчики;
  2.  электронный блок управления;
  3.  исполнительные устройства систем двигателя.

Схема системы управления двигателем

Входные датчики измеряют конкретные параметры работы двигателя и преобразуют их в электрические сигналы. Информация, получаемая от датчиков, является основой управления двигателем. Количество и номенклатура датчиков определяется вилом и модификацией системы управления. Например, в системе управления двигателем Motronic-MED применяются следующие входные датчики. Каждый из датчиков используется в интересах одной или нескольких систем двигателя.

используется в работе топливной системы

  1.  датчик давления топлива в контуре низкого давления;

используется в работе системы впрыска

  1.  датчик давления топлива;
  2.  датчик частоты вращения коленчатого вала;
  3.  датчик Холла;
  4.  датчик положения педали газа;
  5.  расходомер воздуха;
  6.  датчик температуры охлаждающей жидкости;
  7.  датчик температуры воздуха на впуске

используются в работе системы впуска

  1.  расходомер воздуха (при наличии);
  2.  датчик температуры воздуха на впуске;
  3.  датчик положения дроссельной заслонки;
  4.  датчик давления во впускном коллекторе

используются в работе системы зажигания

  1.  датчик положения педали газа;
  2.  датчик частоты вращения коленчатого вала;
  3.  датчик Холла;
  4.  датчик детонации;
  5.  расходомер воздуха;
  6.  датчик температуры воздуха на впуске;
  7.  датчик температуры охлаждающей жидкости;
  8.  кислородные датчики;

используются в работе выпускной системы

  1.  датчик температуры отработавших газов;
  2.  кислородный датчик перед нейтрализатором;
  3.  кислородный датчик после нейтрализатора;
  4.  датчик оксидов азота;

используются в работе системы охлаждения

  1.  датчик температуры охлаждающей жидкости;
  2.  датчик температуры масла;

используются в работе вакуумного усилителя тормозов

  1.  датчик давления в магистрали вакуумного усилителя тормозов

 

Электронный блок управления двигателем принимает информацию от датчиков и в соответствии с заложенным программным обеспечением формирует управляющие сигналы на исполнительные устройства систем двигателя. В своей работе электронный блок управления взаимодействует с блоками управления автоматической коробкой передач, системой ABS (ESP), электроусилителя руля,подушками безопасности и др.

Исполнительные устройства входят в состав конкретных систем двигателя и обеспечивают их работу.

Исполнительными устройствами топливной системы являютсяэлектрический топливный насос и перепускной клапан. В системе впрыска управляемыми элементами являются форсунки и клапан регулирования давления. Работа системы впуска управляется с помощью привода дроссельной заслонки и привода впускных заслонок.

Катушки зажигания являются исполнительными устройствами системы зажигания. Система охлаждения современного автомобиля также имеет ряд компонентов, управляемых электроникой:термостат (на некоторых моделях двигателей), реле дополнительного насоса охлаждающей жидкости, блок управления вентилятора радиатора, реле охлаждения двигателя после остановки.

В выпускной системе осуществляется принудительный подогрев кислородных датчиков и датчика оксидов азота, необходимый для их эффективной работы. Исполнительными устройствами системы рециркуляции отработавших газов являются электромагнитный клапан управления подачей вторичного воздуха, а также электродвигатель насоса вторичного воздуха. Управление системой улавливания паров бензина производится с помощью электромагнитного клапан продувки адсорбера.

Принцип работы системы управления двигателем основан на комплексном управлении величиной крутящего момента двигателя. Другими словами, система управления двигателем приводит величину крутящего момента в соответствия с конкретным режимом работы двигателя. Система различает следующие режимы работы двигателя:

  1.  запуск;
  2.  прогрев;
  3.  холостой ход;
  4.  движение;
  5.  переключение передач;
  6.  торможение;
  7.  работа системы кондиционирования.

Изменение величины крутящего момента производиться двумя способами - путем регулирования наполнения цилиндров воздухом и регулированием угла опережения зажигания.

Система управления дизелем

 

Система управления дизелем (Electronic Diesel Control, EDC) является разновидностью системы управления двигателем. Она устанавливается на современные дизельные двигатели, в т.ч. двигатели, оборудованные системой впрыска Common Rail илисистемой впрыска насос-форсунками. Ведущим производителем системы управления дизельным двигателем является фирма Bosch.

Основное предназначение системы управления дизелем заключается в регулировании работы системы впрыска топлива. Вместе с тем, система управления дизелем обеспечивает работу следующих систем двигателя:

  1.  топливная система;
  2.  впускная система;
  3.  турбонаддув;
  4.  система рециркуляции отработавших газов;
  5.  выпускная система;
  6.  система охлаждения;
  7.  система предпускового подогрева.

Электронная система управления дизельным двигателем имеет следующее общее устройство:

  1.  входные датчики;
  2.  блок управления двигателем;
  3.  исполнительные устройства систем дизеля.

Входные датчики фиксируют эксплуатационные параметры работы двигателя и преобразуют их в электрические сигналы. Номерклатура входных датчиков различается в зависимости от конструкции системы впрыска. Например, в работе система управления дизельным двигателем с системой впрыска Common Rail используются сигналы следующих входных датчиков:

Системы двигателя

Входные датчики

система впрыска

  1.  датчик частоты вращения коленчатого вала;
  2.  датчик Холла;
  3.  датчик положения педали газа;
  4.  расходомер воздуха;
  5.  датчик давления топлива;
  6.  датчик температуры охлаждающей жидкости;
  7.  датчик температуры топлива;
  8.  датчик температуры воздуха на впуске

впускная система

  1.  датчик положения (потенциометр) впускной заслонки;
  2.  датчик положения (потенциометр) заслонок впускных клапанов (на некоторых моделях двигателей)

турбонаддув

  1.  датчик давления наддува;
  2.  датчик температуры воздуха на впуске;
  3.  датчик положения регулятора давления наддува

система рециркуляции отработавших газов

  1.  датчик положения (потенциометр) клапана рециркуляции;
  2.  кислородный датчик;
  3.  датчик частоты вращения коленчатого вала;
  4.  расходомер воздуха;
  5.  датчик температуры охлаждающей жидкости

выпускная система

  1.  кислородный датчик;
  2.  датчики температуры отработавших газов;
  3.  расходомер воздуха;
  4.  датчик давления отработавших газов

система охлаждения

  1.  датчик температуры охлаждающей жидкости;
  2.  датчик температуры охлаждающей жидкости на выходе радиатора

система предпускового подогрева

  1.  датчик частоты вращения коленчатого вала двигателя;
  2.  датчик температуры охлаждающей жидкости

На двигателе, оборудованном системой впрыска с распределительным ТНВД, можно увидеть и другие датчики:

  1.  датчик давления воздуха на впуске;
  2.  датчик момента начала впрыска (датчик хода иглы распылителя);
  3.  датчик температуры масла;
  4.  датчик скорости движения.

Электронный блок управления воспринимает сигналы входных датчиков, обрабатывает их в соответствии с заложенной программой и вырабатывает управляющие воздействия на исполнительные устройства. В своей работе блок управления взаимодействует с блоками управления автоматической коробки передач иантиблокировочной системы тормозов.

Исполнительными устройствами систем современного дизельного двигателя являются:

Системы двигателя

Исполнительные устройства

топливная система

  1.  электрический подкачивающий топливный насос;
  2.  дополнительный топливный насос (на некоторых моделях двигателей)

система впрыска

  1.  регулятор давления топлива;
  2.  клапан дозирования топлива в ТНВД;
  3.  форсунки впрыска

впускная система

  1.  электродвигатель привода впускной заслонки;
  2.  электродвигатель привода заслонок впускных клапанов

турбонаддув

  1.  клапан ограничения давления наддува (перепускной клапан)

система рециркуляции отработавших газов

  1.  клапан рециркуляции отработавших газов;
  2.  переключающий клапан охладителя

выпускная система

  1.  нагревательный элемент кислородного датчика

система охлаждения

  1.  электродвигатель дополнительного насоса охлаждающей жидкости (для охлаждения отработавших газов в охладителе) ;
  2.  электродвигатель вентилятора

система предпускового подогрева

  1.  свеча накаливания

 

В результате работы системы управления дизелем реализуются следующие основные функции:

  1.  регулирование количества впрыскиваемого в цилиндр топлива;
  2.  обеспечение опережения подачи топлива;
  3.  регулирование давления впрыска (только в системе Common Rail);
  4.  регулирование частоты вращения коленчатого вала на холостом ходу;
  5.  подавление колебаний в трансмиссии при изменении крутящего момента (переключение передач в АКПП);
  6.  ограничение максимальной частоты вращения;
  7.  регулирование давления наддува;
  8.  регулирование рециркуляции отработавших газов;
  9.  охлаждение перепускаемых отработавших газов;
  10.  обеспечение регенерации сажевого фильтра;
  11.  облегчение запуска двигателя при низких температурах.

Автомобильные датчики

 

Электронные системы управления современного автомобиля немыслимы без датчиков. Автомобильные датчики оценивают значения неэлектрических параметров и преобразуют их в электрические сигналы. В качестве сигнала выступает напряжение, ток, частота и др. Сигналы преобразуются в цифровой код и передаются в электронный блок управления, который в соответствии с заложенной программой приводит в действие исполнительные механизмы.

Датчики бывают активными и пассивными. В активном датчике электрический сигнал возникает за счет внутреннего энергетического преобразования. Пассивный датчик преобразует внешнюю электрическую энергию.

Датчики применяются практически во всех системах автомобиля. В двигателе они измеряют температуру и давление воздуха, топлива, масла, охлаждающей жидкости. Ко многим движущимся частям автомобиля (коленчатый вал, распределительный вал, дроссельная заслонка, валы в коробке передач, колеса, клапан рециркуляции отработавших газов) подключены датчики положения и скорости. Большое количество датчиков используется в системах активной безопасности.

В зависимости от назначения различают следующие типы датчиков:

  1.  датчики положения и скорости;
  2.  датчики расхода воздуха;
  3.  датчики контроля эмиссии отработавших газов;
  4.  датчики температуры;
  5.  датчики давления.

Датчики положения и скорости

Преобразование линейного или углового перемещения контролируемого объекта в электрический сигнал производится с помощью датчиков положения и скорости. В автомобиле используются следующие датчики:

  1.  датчик положения коленчатого вала;
  2.  датчик положения распределительного вала;
  3.  датчик положения дроссельной заслонки;
  4.  датчик уровня топлива;
  5.  датчик положения педали газа;
  6.  датчик частоты вращения колеса;
  7.  датчик угла поворота рулевого колеса.

Датчики положения и скорости выполняются контактными или бесконтактными. Несмотря на то, что предпочтение отдается бесконтактным датчикам, контактные устройства еще широко применяются. При всех достоинствах, контактные датчики имеют один существенный недостаток – склонность к загрязнению и, соответственно, снижение точности измерений.

К контактным датчикам положения относятся потенциометры с подвижными контактами, которые измеряют линейные и угловые перемещения объекта. Подвижные контакты перемещаются по длине переменного резистора и изменяют его сопротивление, пропорциональное фактическому перемещению объекта. Потенциометры широко используются в качестве датчика положения дроссельной заслонки, датчика положения педали газа, объемного расходомера воздуха, датчика уровня топлива и др.

В основу работы бесконтактных датчиков положения и скорости положены различные физические явления и эффекты, в соответствии с которыми различают следующие датчики:

  1.  индуктивные датчики;
  2.  датчики Виганда;
  3.  датчики Холла;
  4.  магниторезистивные датчики;
  5.  оптические датчики;
  6.  и множество других.

Индуктивный датчик широко используется в качестве датчика положения коленчатого вала. Он содержат постоянный магнит, магнитопровод и катушку. Когда стальной объект (зуб шестерни) приближается к датчику, магнитное поле увеличивается, а в катушке наводится переменное напряжение. В отличие от индуктивных датчиков датчики Виганда не используют постоянный магнит, а активируются внешним магнитом.

Наиболее востребованные бесконтактные датчики построены наэффекте Холла. Суть эффекта заключается в том, что постоянный магнит, связанный с измеряемым объектом, при вращении генерирует напряжение, пропорциональное угловому положению объекта. В датчиках Холла используется несколько схем измерения положения и скорости: вращающийся прерыватель, многополюсный кольцевой магнит, ферромагнитный зубчатый ротор. Для измерения угловой скорости зубчатого ротора применяетсядифференциальный датчик Холла – два рядом расположенных измерительных элемента, позволяющих видеть зуб и впадину одновременно.

Магниторезистивные датчики начали применяться сравнительно недавно, но очень популярны. Они построены на магниторезистивном эффекте - свойстве некоторых токонесущих материалов изменять свое сопротивление во внешнем магнитном поле. Различают анизотропные магниторезисторы (АМР) и гигантские магниторезисторы (ГМР). АМР-датчики используют электрическое сопротивление ферромагнитных материалов. Измерительный элемент ГМР-датчика состоит из чередующихся ферромагнитных и немагнитных слоев. Анизотропные магниторезисторы применяются в датчике угла поворота рулевого колеса.

В оптическом датчике для определения углового положения используются светомодулирующий диск с чередующимися прозрачными и непрозрачными секторами. Диск располагается между светодиодом и фоторезистором. При перемещении (повороте) диска на фоторезисторе вырабатываются электрические импульсы, по которым определяется угол и скорость поворота вала.

Датчики расхода воздуха

Расход воздуха, поступающего в двигатель, определяется по объему или массе. Датчики определяющие расход воздуха по объему называют объемными расходомерами. Работа таких датчиков построена на оценке перемещения заслонки, пропорционального величине потока воздуха.

Расход воздуха по массе оценивается датчиком массового расхода воздуха. Наибольшее применение нашли микромеханические расходомеры, построенные на тонкопленочных нагреваемых элементах - терморезисторах. Воздух, проходя через терморезисторы, охлаждает их. При этом, чем больше проходит воздуха, тем сильнее охлаждаются терморезисторы. Определение массового расхода воздуха построено на измерении мощности и тока, необходимых для поддержания постоянной температуры терморезисторов.

Датчики контроля эмиссии отработавших газов

Регулирование содержания вредных веществ в отработавших газах обеспечивают датчики контроля эмиссии, к которым относятся датчик концентрации кислорода и датчик оксида азота.

Кислородный датчик (другое название – лямбда-зонд) устанавливается в выпускной системе и в зависимости от содержания кислорода в отработавших газах вырабатывает определенный сигнал. На основании сигнала система управления двигателем поддерживает стехиометрический состав топливно-воздушной смеси (т.н. лямбда-регулирование).

На современных автомобилях, оборудованных каталитическим нейтрализатором, устанавливается два датчика концентрации кислорода. Кислородный датчик на выходе из нейтрализатора контролирует его работоспособность и обеспечивает содержание вредных веществ в отработавших газах в пределах установленных норм.

Датчик оксидов азота контролирует содержание оксидов азота в отработавших газах. Он устанавливается в выпускной системе бензиновых двигателей с непосредственным впрыском топлива после дополнительного (накопительного) нейтрализатора. Датчик включает две камеры. В первой камере оценивается концентрация кислорода. Во-второй камере происходит восстановление оксидов азота на кислород и азот. Концентрация оксидов азота оценивается по величине восстановленного кислорода.

Датчики температуры

Измерение температуры производится в различных системах автомобиля:

Система

Датчик

Система охлаждения

Датчик температуры охлаждающей жидкости

Система управления двигателем

Датчик температуры воздуха во впускном коллекторе

Система климат-контроля

Датчик температуры наружного воздуха;

Датчик температуры воздуха в салоне автомобиля

Система смазки

Датчик температуры масла

Автоматическая коробка передач

Датчик температуры масла

 

Для измерения температуры применяются терморезисторы с отрицательным температурным коэффициентом. С увеличением температуры сопротивление термистора снижается, соответственно возрастает ток. В качестве датчика температуры используется также термопара – проводник, состоящий из двух различных металлов и под воздействием температуры генерирующий термоэлектрическое напряжение.

Датчики давления

В современных автомобилях используется большое количество датчиков давления:

  1.  датчик давления во впускном коллекторе;
  2.  датчик давления топлива в системе впрыска;
  3.  датчик давления в шинах;
  4.  датчик давления рабочей жидкости в тормозной системе;
  5.  датчик давления масла в системе смазки.

Для оценки давления применяетсяпьезорезистивный эффект, который заключается в изменении сопротивления тензорезистора при механическом растяжении диафрагмы. Измеряемое давление может быть абсолютным или относительным. Датчик давления во впускном коллекторе измеряет абсолютное давление, т.е. давление воздуха относительно вакуума.

Представленная классификация охватывает далеко не все автомобильные датчики. Необходимо упомянуть ряд других датчиков: датчик детонации, датчик уровня масла, датчик дождя. Датчик детонации оценивает вибрацию двигателя, которая сопровождает неконтролируемое воспламенение топливно-воздушной смеси. Датчик представляет собой пьезоэлектрический элемент, который при вибрации генерирует электрический сигнал.

Датчик уровня масла в современном двигателе заменяет функции щупа. Уровень масла может измеряться поплавковым переключателем или более совершенным тепловым датчиком, который кроме уровня масла измеряет его температуру. Датчик дождя обеспечивает автоматическую работу стеклоочистителей. Конструктивно он объединен с датчиком освещенности.

Система освещения автомобиля

 

Совокупность приборов освещения и сигнальных устройств, расположенных снаружи и внутри автомобиля, называетсясистемой освещения. Система освещения выполняет следующиефункции:

  1.  освещение дорожного полотна, обочины и расположенных на них объектов в условиях ограниченной видимости;
  2.  предоставление информации другим участникам движения о наличии на дороге транспортного средства, его размерах, характере движения, совершаемых маневрах, а также принадлежности;
  3.  освещение салона автомобиля, а также других его частей (багажного отсека, подкапотного пространства и др.) в темное время суток.

Система освещения автомобиля включает следующие основныеконструктивные элементы:

  1.  передняя фара;
  2.  передняя противотуманная фара;
  3.  задний фонарь;
  4.  задний противотуманный фонарь;
  5.  фонарь освещения номерного знака;
  6.  приборы внутреннего освещения;
  7.  аппаратура управления.

Передняя фара

Передняя фара (другое название –головная фара, блок-фара) освещает дорогу впереди автомобиля, а также представляет информацию другим участникам движения, находящимся впереди транспортного средства. Передние фары устанавливаются попарно симметрично с правой и левой стороны автомобиля. На современных автомобилях в дополнение к передним фарам может устанавливаться система ночного видения.

Передняя фара выполнена, как правило, в едином корпусе, в котором объединены следующие световые приборы:

  1.  ближний свет;
  2.  дальний свет;
  3.  габаритный огонь;
  4.  указатель поворотов;
  5.  дневные ходовые огни.

Ближний свет фары служит для освещения дороги при наличии впереди других участников движения. Ближний свет ассиметричный, при правостороннем движении лучше освещена правая часть дороги и обочины. Дальний свет используется при отсутствии впереди других участников движения. Он представляет собой симметричный световой луч высокой интенсивности. Габаритный огонь используется для обозначения размеров транспортного средства. Габаритный огонь устанавливается также в заднем фонаре.

Указатель поворота может устанавливаться как в блок-фаре, так и вне ее в передней части автомобиля. Указатель поворота используется для информирования других участников движения о намерении совершить маневр (поворот, разворот, смену полосы движения). Указатель поворота устанавливается также в заднем фонаре. Помимо этого с боковой стороны автомобиля предусматривается повторитель указателя поворота. В последнее время повторитель указателя поворота стало популярно размещать в наружном зеркале заднего вида. Все указатели поворота должны работать синхронно.

В качестве сигнала поворота используется источник света желтого цвета, работающий в режиме мигания. Частота работы указателя должна составлять 1-2 мигания в секунду. Указатель поворота может иметь два режима работы: постоянный (пока не отключат), разовый (три-пять миганий при нажатии). Указатель поворота управляется с помощью соответствующего переключателя. Конструкция переключателя предусматривает автоматическое выключение сигнала при возвращении рулевого колеса в нейтральное положение.

Указатель поворота работает совместно с рядом систем активной безопасности: система помощи при перестроениисистема помощи движению по полосе. Указатели поворота также используются в качестве сигнала аварийной остановки.

В некоторых странах предусмотрено использование дневных ходовых огней, которые предназначаются для повышения видимости транспортного средства в дневное время. Дневные ходовые огни представляют собой автоматически или вручную управляемый ближний свет фар полной или пониженной интенсивности. В некоторых случаях может использоваться дальний свет фар пониженной интенсивности.

Устройство фары

Несмотря на различия по форме, конструкции, цвету, материалам можно выделить следующее общее устройство фары:

  1.  корпус;
  2.  источник света;
  3.  отражатель;
  4.  рассеиватель.

Корпус служит основой для размещения и крепления остальных элементов фары. Он выполняется, как правило, из пластмассы. В качестве источников света используются различные ламы: накаливания – вольфрамовые, галогенные, газоразрядные –ксеноновые. Все большую популярность у автопроизводителей завоевывают светодиодные источники света.

Вольфрамовые лампы самые дешевые по цене и имеют низкую световую интенсивность. Поэтому данные лампы используются в качестве источника света габаритных огней, указателей поворота, стоп-сигнала, фонаря заднего ходя, приборов внутреннего освещения. Галогенные лампы являются самым распространенным источником ближнего и дальнего света фары. Для каждого из видов головного освещения может использоваться одна лампа (например, Н4 с двумя нитями накаливания) или две раздельные лампы (например, Н7 с одной нитью накаливания).

Большой популярностью в нашей стране пользуются ксеноновые лампы, которые могут использоваться как для ближнего, так и для дальнего света. Светодиодные источники света используются в основном для реализации сигнальных функций: стояночные огни, стоп-сигнал, сигнал поворота, дневные ходовые огни. Реже светодиоды можно увидеть в качестве источника головного света.

Отражатель в конструкции фары отвечает за формирование пучка света. Простейший отражатель имеет параболическую форму. Современные отражатели имеют более сложную форму. Отражатель изготавливается из пластмассы. Для создания зеркальной поверхности наносится тонкая пленка алюминия и покрывается лаком.

Рассеиватель пропускает световой поток и в зависимости от конструкции преломляет его. Другая функция рассеивателя – защита фары от внешних воздействий. Рассеиватель изготавливается из прозрачного пластика, реже из стекла.

Передняя противотуманная фара

Передняя противотуманная фара предназначена для улучшения освещения дорожного полотна и обочины в условиях плохой видимости: дождь, туман, пыль, снег. Противотуманнынные фары используются попарно, устанавливаются в качестве опции, реже самостоятельно. Могут иметь белый или желтый цвет.

Противотуманные фары обеспечивают широкий луч света с отсеченной верхней частью. Передние противотуманные фары используются вместо ближнего света или совместно с ним. Эффект от применения фар заключается в уменьшении обратных бликов и, тем самым, улучшении видимости при атмосферных осадках. Наличие передних противотуманных фар не является обязательным, а в некоторых странах они вообще запрещены.

Задний фонарь

Задний фонарь предназначен для информирования участников движения, находящихся сзади автомобиля. Фонарь объединяет следующие световые приборы:

  1.  задний габаритный огонь;
  2.  стоп-сигнал;
  3.  задний указатель поворота;
  4.  фонарь заднего хода.

Задние фонари устанавливаются попарно симметрично. Фонарь может быть выполнен в виде единого блока или в виде связанных двух блоков, установленных в кузове и крышке багажника (пятой двери).

Задний габаритный огонь работает совместно с передним габаритным огнем. Конструктивно может быть объединен с стоп-сигналом. При этом используются или отдельные лампы накаливания (светодиоды) или лампы с двумя нитями разной световой интенсивности.

Стоп-сигнал активизируется автоматически при нажатии водителем педали тормоза. Задний габаритный огонь и стоп-сигнал имеют красный цвет, но стоп-сигнал горит ярче. На некоторых автомобилях реализован т.н. адаптивный стоп-сигнал, при котором световая интенсивность находится в зависимости от интенсивности торможения (чем сильнее жмешь, тем ярче горит). Представляет интерес функция аварийного стоп-сигнала(Emergency Stop Signal, ESS), реализованная в виде вспышек стоп-сигнала при экстренном нажатии на педаль тормоза.

Задний указатель поворота работает совместно с передним указателем поворота. Имеет желтый цвет. Фонарь заднего ходаобеспечивает освещение при движении автомобиля задним ходом. Активизируется автоматически при включении задней передачи (режима заднего хода). Является обязательным световым прибором. Устанавливается один или два (симметрично) фонаря заднего ходя белого цвета.

Задние противотуманные фонари

Задние противотуманные фонари используются для предупреждения сзади идущих автомобилей в условиях плохой видимости. Конструктивно могут быть выполнены в составе заднего фонаря или отдельно – ниже фонаря в бампере автомобиля.

На автомобиле устанавливается один (в левой части автомобиля) или два (симметрично) задних противотуманных фонаря. Наличие заднего противотуманного фонаря является обязательным. Имеет большую световую интенсивность, чем задний габаритный огонь.

Управление приборами освещения

Управление приборами освещения, входящими в состав системы освещения, осуществляется соответствующими переключателями из салона автомобиля. На некоторых автомобилях реализованоавтоматическое управление отдельными функциями:

  1.  автоматическое включение ближнего света;
  2.  автоматическая коррекция головного освещения;
  3.  система активного головного освещения;
  4.  система адаптивного освещения;
  5.  система управления дальним светом.

Передние фары

 

Передние фары в системе освещения автомобиля занимают центральное место. Они освещают дорогу перед автомобилем, а также служат для обнаружения автомобиля и его намерений другими участниками движения. Все это обеспечивает необходимый уровень безопасности и комфорта.

Передняя фара объединяет, как правило, несколько приборов освещения в одном корпусе: фара ближнего света, фара дальнего света, габаритный фонарь, фонарь указателя поворотов, дневные ходовые огни (при наличии). Объединенная конструкция носит название блок-фара. Основными световыми приборами в ней являются фары ближнего и дальнего света. К передним фарам относятся и противотуманные фары, которые устанавливаются отдельно.

Ближний свет фар является основным для движения в темное время. Он характеризуется ассиметричным характером (световой пучок растянут вдоль правой стороны), наличием светотеневой границы (теневая область выше, яркая область ниже определенной границы). В фаре ближнего света реализован компромисс между ослеплением других водителей в разумных пределах и достаточно высоким уровнем освещения.

Дальний свет фар обеспечивает максимальную дальность освещения дороги, т.к. не имеет ограничений. С другой стороны фара дальнего света создает максимальное ослепление других водителей, поэтому ограничивается в применении. Система адаптивного освещения значительно повышает эффективность использования дальнего света на автомобиле.

Передние фары современного автомобиля являются сложными техническими системами и в своем роде произведениями искусства. Они индивидуальны для каждой новой модели автомобиля. В зависимости от комплектации автомобиль может иметь несколько конструкций фар. Ведущими производителями автомобильного освещения являются компании Hella, Al-Automotive Lighting, Philips.

Классическая фара имеет следующее устройство:

  1.  источник света;
  2.  отражатель;
  3.  рассеиватель.

В передних фарах применяются следующие источники света: лампа накаливания, галогенная лампа, газоразрядная лампа, светодиоды.

Лампа накаливания представляет собой вольфрамовую нить, помещенную в стеклянную колбу. При работе лампы происходит нагрев нити, который сопровождается испарением вольфрама с поверхности. Нить утончается и со временем перегорает. Помимо этого, при испарении вольфрама происходит потемнение лампы.

В галогенной лампе вольфрамовая нить окружена галогенным газом (йод, бром), что позволяет поднять температуру нити и увеличить уровень освещения. Срок службы галогенной лампы (до 1000 часов) намного больше обычной лампы накаливания, т.к. нагревание вольфрама происходит по замкнутому циклу. При испарении вольфрам соединяется с газом и циркулирует по колбе. При соприкосновении с нитью накаливания соединение распадается, а вольфрам оседает на нити.

В газоразрядной лампе (High-intensity discharge, HID) световой поток создается за счет нагрева газа высоким напряжением. В автомобильных газоразрядных лампах используется ксенон, имеющий высокую световую эффективность. Для розжига и питания ксеноновой лампы требуется дополнительное оборудование, которое значительно увеличивает стоимость фары. Срок службы газоразрядной лампы достигает 2000 часов.

Светодиоды (Light Emitting Diode, LED) в качестве автомобильных источников света набирают стремительную популярность. Они имеют срок службы до 3000 и более часов, потребляют меньше энергии и обеспечивают приемлемый уровень освещенности. В настоящее время светодиоды широко используются в качестве источников света внутреннего (подсветка приборов,индикаторные лампы) и внешнего (задние фары, дополнительные стоп-сигналы, дневные ходовые огни) освещения. С 2007 года светодиоды белого спектра свечения начали использоваться в качестве источников ближнего и дальнего света.

Источники света характеризуются рядом параметров: напряжение, мощность, световой поток. Производным этих параметров являетсясветовая отдача (световой поток на единицу мощности), выступающая своеобразным показателем эффективности и экономичности лампы.

Основные характеристики источников света для сети 12В приведены в таблице:

Источник света

Мощность, Вт

Световой поток, лм

Светоотдача, лм/Вт

Лампа накаливания

3-27

22-500

10-18

Галогенная лампа

55-65

1450-2100

22-32

Ксеноновая лампа

35

2800-3200

80-90

Светодиоды (на фару)

до 20

500-1000

30-50

 

Отражатель в зависимости от типа фары обеспечивает отражение света от источника непосредственно на дорогу или оптическую линзу. Отражатель изготавливают из пластмассы или металла. Более универсальные пластмассовые отражатели, позволяющие создать любые геометрические формы. На поверхность отражателя нанесен тонкий слой алюминия.

Основные типы отражателей: параболический, свободной формы и эллипсоидный. Параболический отражатель используется в классических фарах, в которых уровень освещенности пропорционален размеру отражателя (больше отражатель больше света).

Отражатель свободной формы(Homogeneous Numerically Calculated Surface, HNS) разделен на отдельные участки (вертикальные, радиальные), которые имеют свое фокусное расстояние и оптимизированы на определенный характер отражения света. Отражатель типа HNS обеспечивает высокую однородность освещения. Геометрическая поверхность отражателя разрабатывается с помощью компьютерного моделирования.

Параболический отражатель и отражатель свободной формы составляют основу отражательных (рефлекторных) фар.

Эллипсоидный отражательявляется частью полиэллипсоидной системы освещения (Poly Ellipsoid System, PES). Эллипсоидный отражатель совместно с оптической линзой позволяет значительно сократить размеры фары при сохранении уровня освещения и направленности светового пуска. Эллипсоидный отражатель имеют проекционные (прожекторные) фары, в обиходе их называют линзованные фары.

Роль рассеивателя в современных фарах минимальна, т.к. распределение света осуществляется в основном отражателем. С 1992 года широко используются пластмассовые рассеиватели.

Галогенные фары

В настоящее время галогенные фары являются самым распространенным типом фар. В них в качестве источника света используется галогенная лампа. Галогенные фары используются для ближнего и дальнего света. Конструктивно фары могут быть разделены и совмещены, т.н. би-галоген. В фарах ближнего света используются отражатели свободной формы или эллипсоидные отражатели, для дальнего света – отражатели свободной формы или параболические отражатели.

Создание светотеневой границы ближнего света в совмещенных фарах производится двумя способами: светоотражающий колпачок на галогенной лампе с двумя нитями накаливания, световой экран в проекционной системе. Поддержание определенного положения фары относительно плоскости кузова обеспечиваетэлектромеханический корректор.

Ксеноновые фары

Ксеноновые фары имеют большую популярность благодаря высокому уровню освещения. Фары предлагаются в качестве базового оборудования автомобилей бизнес и премиум класса, а также опционально для бюджетных автомобилей. В отличие от галогенных фар ксеноновые фары имеют более сложную конструкцию. Помимо собственно фары в систему включен блок зажигания и электронный блок управления, которые обеспечивают воспламенение газа импульсом напряжения переменного тока 10-20 кВ и питание электроэнергией во время работы.

Ксеноновые фары могут быть рефлекторными и прожекторными, при этом прожекторные фары более популярны у потребителя. Отдельно для ближнего и дальнего света ксеноновые фары применяются достаточно редко. В основном используются би-ксеноновые фары, в которых функции ближнего и дальнего света реализованы в одной фаре. Создание светотеневой границы в би-ксеноновых фарах осуществляют несколькими способами:

  1.  световой экран в проеционных фарах;
  2.  перемещение газоразрядной лампы по горизонтали в отражательных фарах.

Би-ксеноновые фары оборудуются, как правило, модулем поворота в вертикальной и горизонтальной плоскости. Это значительно расширяет область применения фары. Ввиду особенности конструкции ксеноновые фары в обязательном порядке снабжаютсяавтоматическим корректором фар и стеклоомывателем фар.

Светодиодные фары

Светодиодные фары для головного света начали применяться совсем недавно и примеров их использования не так много – ряд моделей Audi, Cadillac, Lexus. Например в Audi R8 светодиодная фара состоит из трех многокристаллических светодиодов. Каждый многокристаллический светодиод включает два простых светодиода, каждый со своим отражателем. Световой поток от всех светодиодов преобразуется в общей проекционной линзе. Для создания светотеневой границы в светодиодной фаре используется световой экран. Несмотря на значительные преимущества, светодиодные головные фары применяются пока очень редко.

Ряд производителей предлагают светодиодные лампы с цоколем для постановки в штатные места галогенных ламп. Такие светодиодные лампы, несмотря на то, что светят очень ярко, не обеспечивают требуемого уровня освещения.

Матричные фары

 

Ведущие позиции в области технологий освещения принадлежат Audi. Последняя разработка компании матричные фары, которые поднимают на новый уровень безопасность дорожного движения и комфорт управления автомобилем. С 2013 года Audi устанавливает матричные фары (Matrix LED headlights) на свой флагман – модель А8. Пилотный проект матричных фар (Matrix Beam) разрабатывает компания Opel.

Матричная фара от Audi имеет следующую конструкцию:

  1.  матричный модуль дальнего света фар;
  2.  модуль ближнего света фар;
  3.  модуль дневных ходовых огней, габаритных огней и указателя поворота;
  4.  дизайнерское обрамление фары;
  5.  блок управления;
  6.  воздуховод с вентилятором.

Модуль дальнего света фарсостоит из 25 светодиодов, объединенных в группы по 5 штук и в совокупности образующих матрицу. Каждая группа имеет свой отражатель и металлический радиатор для охлаждения. С помощью матрицы из светодиодов реализовано около одного миллиарда различных комбинаций распределения света.

Модуль ближнего света фар расположен под модулем дальнего света фар. Он также состоит из светодиодов, поделенных на несколько сегментов. В самом низу фары размещен модуль дневных ходовых огней, габаритных огней и указателя поворота. Конструктивно модуль включает 30 последовательных светодиодов.

Расположение модулей освещения подчеркнуто дизайнерским обрамлением. В матричной фаре расположен и электронный блок управления. Для принудительного охлаждения светодиодов фара оснащена воздуховодом с вентилятором.

Все конструктивные элементы матричной фары помещены в пластмассовый корпус, который служит основой для размещения элементов и защищает их от внешних воздействий. С лицевой части корпус закрыт прозрачным рассеивателем.

Матричные фары имеют электронную систему управления, традиционно включающую входные устройства, блок управления и исполнительные элементы. Входными устройствами являютсявидеокамера, GPS навигационная система и ряд датчиков. Видеокамера представляет информацию о других автомобилях на дороге. Навигационная система дает сведения о рельефе дороги (повороты, спуски, подъемы). В интересах матричных фар работает множество датчиков других систем автомобиля: датчик угла поворота рулевого колеса, датчик скорости движения, датчик дорожного просвета, датчик освещения, датчик дождя.

Электронный блок управления обрабатывает информацию от входных устройств и в зависимости от дорожной ситуации активирует (дезактивирует) определенные светодиоды. Необходимо отметить, что в матричных фарах не используются поворотные механизмы, как в ксеноновых фарах. Все рабочие функции выполняются с помощью электроники и статических светодиодов.

В матричных фарах реализован ряд прогрессивных функции:

  1.  распознавание автомобилей и изменение светового луча;
  2.  выявление пешеходов и их подсвечивание;
  3.  адаптивное освещение поворотов;
  4.  динамические указатели поворотов.

При движении в темное время суток видеокамера обнаруживает встречные и попутные автомобили по их освещению. Как только автомобиль обнаружен, система управления выключает светодиоды, направляющие свет на транспортное средство. Остальное пространство дороги освещается полностью. При этом, чем ближе автомобиль, тем сильнее выключаются светодиоды, исключая ослепление водителя. Одновременно матричные фары могут маскировать до 8 автомобилей.

Матричные фары способны в темноте выявлять пешеходов и животных, находящихся на дороге или в опасной близости от нее. Для этого фары объединены с системой ночного видения. При обнаружении пешехода фары троекратно сигнализируют дальним светом, предупреждая как пешехода, так и водителя.

Функция адаптивного освещения поворотов реализована с помощью навигационной системы. На основе навигационных данных поворот начинает освещаться до того как водитель начнет вращать рулевое колесо. С помощью адаптивного освещения поворотов достигается лучшее освещение дороги и безопасность движения.

Динамический указатель поворотов представляет собой управляемое движение огней в направлении поворота. Для реализации данной функции 30 последовательных светодиодов последовательно включаются с периодичностью 150 мс. Как утверждает производитель, динамический указатель поворотов значительно повышает информативность системы освещения автомобиля.

Корректор фар

 

Ближний свет фар характеризуется выраженной светотеневой границей, которая обеспечивает компромисс между приемлемым освещением дороги и минимальным ослеплением водителей других транспортных средств. При изменении уровня кузова положение светотеневой границы также изменяется. Повышение границы приводит к сильному ослеплению водителей других автомобилей, понижение – к уменьшению уровня освещения.

Для регулирования направления светового луча ближнего света фар и положения светотеневой границы применяется корректор фар. С 1999 года наличие корректора фар является обязательным на всех автомобилях, выпускаемых в Европе. По принципу работы различают два вида корректоров фар – принудительного и автоматического действия.

Корректор фар принудительного действия

Корректор фар принудительного действия активируется непосредственно водителем, поэтому другое его название – ручной корректор фар. Для изменения положения фары используются различные приводы: механический, гидравлический, пневматический, электромеханический. Самым распространенным является электромеханический корректор фар, которым оборудуются галогенные фары.

Электромеханический корректор фар имеет следующее устройство:

  1.  переключатель положения фары;
  2.  мотор-редуктор на каждую фару;
  3.  соединительная проводка.

Поворотный переключатель положения фары устанавливается на панели приборов, как правило, слева от рулевой колонки. С помощью переключателя водитель задает определенный уровень фары. Переключатель имеет несколько фиксированных положений, позволяющих поднимать и опускать фару.

Мотор-редуктор (именно его в обиходе называют корректором фары) объединяет электродвигатель постоянного тока, червячный редуктор и электронную схему управления. Мотор-редуктор преобразует вращение электродвигателя в поступательное движение штока. Шток имеет шаровой наконечник, входящий в защелку в нижней части отражателя фары. Вверху отражатель фары закреплен шарнирно.

Движение штока изменяет угол наклона отражателя фары с источником света. При изменении нагрузки на заднюю ось автомобиля (пассажиры, груз), изменяется положение кузова. Водитель в соответствии с рекомендациями инструкции по эксплуатации автомобиля регулирует положение фар с помощью переключателя.

Электромеханический корректор фар достаточно простое и надежное устройство, но пользуются им водители достаточно редко. Вспомните, когда вы в последний раз пользовались корректором фар? Боюсь, что не вспомните.

Автоматический корректор фар

Более совершенной системой регулирования положения светотеневой границы является автоматический корректор фар. Данный корректор применяется с галогенными и ксеноновыми фарами. В галогенных фарах автоматический корректор срабатывает в зависимости от положения кузова.

Автоматический корректор ксеноновых фар более совершенный. Он поддерживает световой пучок на одном уровне в соответствии с нагрузкой и условиями движения (разгон, торможение, поворот, движение по неровной дороге). Ксеноновые фары излучают свет высокой интенсивности, и применение автоматического корректора фар на них является обязательным.

Автоматический корректор ксеноновых фар является штатной системой, но может устанавливаться и самостоятельно. К установке предлагаются комплекты от различных производителей (Hella и др.) На автомобилях с активной подвеской автоматический корректор фар не устанавливается, т.к. в нем нет необходимости.

Конструкция автоматического корректора фар включает следующие элементы:

  1.  датчики дорожного просвета;
  2.  электронный блок управления;
  3.  исполнительные механизмы.

В системе устанавливается 2-3датчика дорожного просвета: 1-2 спереди (слева и справа) и один сзади. Используется бесконтактный датчик угла поворота, построенный на эффекте Холла. Ранее использовались менее надежные потенциометрические датчики.

Датчик закреплен на кузове и соединен с помощью тяги с подвеской. Датчик состоит из подвижного ротора и неподвижного статора. Ротор имеет встроенные постоянные магниты, статор представлен датчиком Холла.

Ход подвески передается через тягу на ротор. Ротор поворачивается. При повороте ротора происходит изменение магнитного потока, которое учитывается датчиком Холла и пересчитывается в угол поворота, соответствующий определенному уровню кузова.

Для удешевления в конструкции автоматического корректора фар может использоваться всего один датчик. Таковым являетсяультразвуковой датчик, закрепляемый на шарнирном подвесе в задней части кузова. Данное решение используется в системах коррекции, предлагаемых для самостоятельной установки.

Сигналы от датчиков поступают в электронный блок управлениякорректором фар. В работе блок также использует информацию о скорости движения автомобиля, которую получает от системы ABS. Электронный блок вырабатывает управляющие воздействия на исполнительные механизмы – поворотные модули ксеноновых фар.

Благодаря автоматическому корректору свет ксеноновых фар всегда находится под контролем и не ослепляет других водителей. Автоматический корректор фар дублируется традиционным электромеханическим корректором.

Задние фонари

 

Задние фонари служат для предупреждения других водителей о наличии автомобиля на дороге и изменении характера его движения. В настоящее время задние фонари являются важным элементом дизайна автомобиля.

Конструктивно задние фонари объединяют несколько светосигнальных приборов (фонарей) в одном корпусе, поэтому применяются другие названия – задние комбинированные фонари,блок задних фонарей, модуль задних фонарей. Типовой блок задних фонарей включает:

  1.  задние габаритные фонари;
  2.  стоп-сигналы;
  3.  задние указатели поворотов;
  4.  фонари аварийной сигнализации;
  5.  фонарь заднего хода;
  6.  задний противотуманный фонарь.

В модуле большинство фонарей устанавливаются попарно симметрично справа и слева. Некоторые фонари могут устанавливаться отдельно. Для задних фонарей установлены определенные цвета: красный, желтый, белый. Цвет фонаря достигается путем подкрашивания отражателя и (или) покрытия рассеивателя.

На современные легковые автомобили устанавливается два задних габаритных фонаря красного цвета. Габаритные фонари включаются переключателем на панели приборов. Конструктивно задние габаритные фонари совмещены со стоп-сигналами. Обязательным является наличие трех стоп-сигналов: двух по бокам и одного вверху по центру. Стоп-сигналы срабатывают автоматически при нажатии педали тормоза.

Для задних указателей поворота и фонарей аварийной сигнализации используются единые светосигнальные устройства желтого цвета. Указатель поворотов приводится в действие рычажным переключателем под рулевым колесом, аварийная сигнализация – выключателем на панели приборов. Прерывистую работу (с частотой 60-120 циклов мигания в минуту) обеспечивает реле. На панели приборов предусмотрен световой индикатор работы системы.

При включении передачи заднего хода автоматически срабатывает фонарь заднего хода. В зависимости от модели автомобиля устанавливается один или два фонаря.

Работа заднего противотуманного фонаря объединена с противотуманными фарами, а если их нет – с фарами ближнего и дальнего света. Количество фонарей – один или два, цвет – красный. Предусматривается независимое отключение задних противотуманных фонарей. Работа фонарей сопровождается сигнальной лампой на панели приборов. Задние противотуманные фонари необходимо использовать только в условиях плохой видимости (туман, снег, дождь), т.к. в обычных условиях они могут ослепить движущихся сзади водителей.

На автомобилях используется несколько типов конструкций фонарей:

  1.  фонарь с линзой Френеля;
  2.  рефлекторный фонарь;
  3.  комбинированный фонарь.

Фонарь с линзой Френеля не имеет отражателя, что значительно упрощает его конструкцию. Свет от источника направляется на специальный рассеиватель (линзу Френеля), который формирует луч нужных параметров. Устройство рефлекторного фонаря аналогично устройству передней фары и включает источник света, отражатель и гладкий рассеиватель. Наиболее распространены фонари комбинированной конструкции, в которых гладкий рассеиватель заменен линзой Френеля.

В задних фонарях в качестве источника света используются вольфрамовые лампы накаливания и светодиоды. Все большую популярность получают задние светодиодные фонари. Светодиоды имеют длительный срок службы (до 100000 часов), низкое энергопотребление.

Большое значение для задних фонарей имеет малое время срабатывания светодиодов (1 мс против 200 мс обычной лампы накаливания). Это свойство делает автомобиль более безопасным, особенно при движении с высокой скоростью. Водитель сзади сможет раньше увидеть намерения водителя спереди, а значит быстрее среагировать на потенциальную опасность. Другое качество светодиодов связано с небольшой толщиной монтажного модуля из них, что дает дополнительные возможности для моделирования и дизайна задних фонарей.

Для работы светодиодов требуется ток определенного напряжения и силы. Блок светодиодов имеет электронное управление. Электронный блок управления интегрируется в модуль фонаря или устанавливается отдельно.

В конструкции задних фонарей в основном используются отражатели свободной формы, реже параболические отражатели. Источник света располагается в фокусе отражателя (прямой отражатель). При использовании светодиодов, каждому светодиоду назначается своя область отражателя.

В последнее время внедряются системы с невидимым источником света. Основу их конструкции составляют светодиоды с косвенным отражателем. Светодиоды светят как бы со стороны, а свет от них отражается под углом 90°.

Практический интерес представляет конструкция заднего фонаря со сдвоенным отражателем. В такой системе два отражателя (один за другим) используются с одним источником света. Задний отражатель улавливает боковые лучи света и создает фоновое освещение. Передний отражатель создает луч света высокой интенсивности.

Широкие возможности для дизайна задних фонарей открываютоптоволоконные технологии. Оптоволокно позволяет получить световой рисунок необходимой формы (полосы, изгибы, кольца). Система объединяет оптический световод и источник света. Световод обеспечивает однородное линейное освещение, для чего по его длине выполненные множественные призмы, отражающие лучи света под углом 90°.

Световод изготавливается из поликарбоната (РС) илиполиметилметакрилата (РММА). Источник света устанавливается с одной стороны или с обоих концов световода.

Светодиоды открыли возможность и для создания системы адаптивного заднего освещения (Adaptive Rear-lighting System). Система приспосабливает свет задних фонарей к изменяемым внешним условиям. В работе системы адаптивного заднего освещения используются различные автомобильные датчики (датчик дождя, датчик освещения, датчик влажности и др.). На основании сигналов датчиков электронный блок управления обеспечивает работу задних фонарей в соответствии с условиями движения.

Стоп-сигналы, габаритные фонари, указатели поворотов адаптируются к условиям видимости (день, ночь, непогода). Так, стоп-сигналы в солнечный день будут работать более интенсивно, чем ночью. Другим направлением является адаптация света стоп-сигналов к величине тормозного усилия на педали. В соответствии с этим реализуется три режима работы стоп-сигналов: нормальный, повышенный, экстренный.

Система адаптивного освещения

 

Система адаптивного освещения выходит за рамки традиционного ближнего и дальнего света фар, т.к. предлагает для конкретных условий движения свой режим освещения. Системы адаптивного освещения постоянно совершенствуются: добавляются новые функции, расширяются возможности имеющихся режимов освещения.

Первые системы адаптивного освещения обеспечивали дополнительное освещение в поворотах, например система активного головного света от Volkswagen. Широкие возможности для регулирования светового луча открылись с использованиемвидеокамерыСистема управления дальним светом позволяет двигаться с включенным дальним светом постоянно, при этом, не ослепляя других водителей.

Ведущими разработчиками систем адаптивного освещения являются компании Hella, All Automotive Lighting, Valeo.

Система адаптивного освещения, являясь электронной системой, включает входные устройства, блок управления и исполнительные механизмы. Входные устройства представляют информацию, на основании которой система распознает различные режимы движения:

Информация

Входное устройство

Скорость движения

Датчики скорости колес

Направление движения

Датчик угла поворота рулевого колеса

Профиль дороги

Датчик продольного ускорения

Интенсивность освещения

Датчик освещения

Наличие объектов (транспортные средства, пешеходы, животные) на дороге

Видеокамера

Сигналы от входных устройств передаются в электронный блок управления, где с помощью специального программного обеспечения производится их обработка. В результате активируются соответствующие исполнительные механизмы – модули ксеноновых фар. Модуль может поворачиваться в горизонтальной и вертикальной плоскости. Между источником света и линзой устанавливается экран, форма и размеры которого позволяют получить световой луч с заданной светотеневой границей. В ксеноновой фаре может устанавливаться дополнительная галогенная лампа для лучшего освещения поворотов и обочины.

Системы адаптивного освещения у разных производителей имеют одно общее название Adaptive Front lighting System, AFS. Исключение составляет система BeamAtic от Valeo. Несмотря на общее название функции систем могут различаться. В современной системе адаптивного освещения может быть реализовано до шести режимов освещения (функций):

  1.  городской свет;
  2.  свет проселочной дороги;
  3.  свет автомагистрали;
  4.  дальний свет;
  5.  динамическое освещение поворотов;
  6.  свет в неблагоприятных погодных условиях.

Режим городского светареализуется на скорости до 55 км/ч. Он характеризуется небольшой дальностью, горизонтальной светотеневой границей и широким распространением светового луча. В режиме городского света задействуются дополнительные ламы в фарах. Позволяющие обнаруживать пешеходов на обочине дороги при движении и поворотах.

Свет проселочной дороги применяется вне города на скорости от 55 до 100 км/ч. По своей сути это обычный ближний свет фар, который имеет ассиметричный характер (правая часть освещена лучше, чем левая).

При скорости автомобиля свыше 100 км/ч включается режим света автомагистрали. Данный режим освещения представляет собой ближний свет фар увеличенной дальности, что позволяет безопасно двигаться прямолинейно и в поворотах на высокой скорости.

Режим дальнего света фарработает как обычный дальний свет, но не требует от водителя переключения на ближний свет. В управлении дальним светом реализуется два подхода (способа):

  1.  адаптивная светотеневая граница;
  2.  вертикальная светотеневая граница.

Оба способа управления дальним светом предполагают наличие видеокамеры. При обнаружении транспортных средств камера подает сигнал в электронный блок управления. Система регулирует фары так, что световой луч заканчивается до транспортного средства. В работе системы также учитывается рельеф дороги (подъемы, спуски). При отсутствии движения впереди реализуется обычный дальний свет фар.

Более совершенным решением является дальний свет фар с вертикальной светотеневой границей. В данной системе сочетается максимально высокий световой луч, наилучший обзор и неослепление других участников движения. Если система обнаруживает встречный или попутный автомобиль. Она автоматически затеняет обнаруженное транспортное средство и сопровождает его в движении. Технически это реализовано с помощью вращающего цилиндра, расположенного между источником света и линзой. Цилиндр имеет электромеханический привод. На цилиндре по окружности расположены световые экраны различной формы, позволяющие реализовать сложную светотеневую границу.

Самым распространенным режимом адаптивного освещения являетсядинамическое освещение поворотов. В зависимости от угла поворота рулевого колеса и скорости автомобиля модуль фары поворачивается в горизонтальной плоскости на угол до 15°.

Для улучшения видимости в неблагоприятных погодных условиях (дождь, туман, снег) создан соответствующий режим освещения, обеспечивающий более широкое рассеивание света фар. При этом для минимизации бликов от частиц влаги в воздухе уменьшена дальность освещения.

Система контроля давления в шинах

 

Система контроля давления в шинах (система TPMS, Tires Pressure Monitoring System) предназначена для предупреждения об опасном изменении давления в шинах. Данная система предлагается в качестве опции при покупке автомобиля. Систему также можно приобрести и установить отдельно.

Различают два вида систем контроля давления в шинах:

  1.  системы косвенного измерения давления;
  2.  системы прямого измерения давления.

Наиболее простой с точки зрения конструкции является система косвенного измерения давления, представляющая собой программное расширение блока управления системы ABS. Принцип работы данной системы основан на том, что спущенное колесоимеет меньший радиус и соответственно проходит за один оборот меньшее расстояние, чем исправное колесо.

Датчики угловой скорости колес системы ABS определяют отрезок пути, проходимый каждой шиной за один оборот. Сигналы датчиков сравниваются в блоке ABS с контрольными параметрами. При расхождении значений, загорается индикатор (контрольная лампа) на панели приборов и подается звуковой сигнал.

В системе предусмотрена адаптация к изменению параметров давления воздуха в шинах в случае их замены или проведения сервисных работ на ходовой части – т.н. калибровка системы. При движении в новом качестве система оценивает и запоминает параметры шин. Процесс калибровки постепенно переходит в контроль новых параметров давления в шинах.

Система прямого измерения давления предполагает измерение давления в каждом колесе с помощью соответствующего датчика. Система имеет следующее устройство:

  1.  датчики давления;
  2.  приемная антенна;
  3.  блок управления;
  4.  дисплей.

Датчик давления представляет собой сложное устройство, объединяющее датчик давления, датчик температуры, электронный компоненты измерения и управления, аккумулятор и передающую антенну.

Датчик устанавливается на каждое колесо вместо штатного вентиля. Информация от датчика передается импульсами с периодичностью, как правило, одна минута. Аккумулятор поддерживает работоспособность датчика в течение 3-5 лет. На некоторых моделях предусмотрена замена аккумулятора по окончании срока действия.

Приемная антенна осуществляет прием сигналов от датчиков давления и передачу их в блок управления. В качестве приемной антенны может использоваться антенна центрального замка автомобиля. На элитных автомобилях для каждого датчика применяется индивидуальная антенна. Это позволяет контролировать давление в конкретном колесе. Антенна устанавливается в колесной арке кузова автомобиля.

Блок управления принимает информацию от датчиков и сравнивает полученные данные с контрольными параметрами давления. В случае падения давления загорается индикатор (контрольная лампа) на панели приборов, подается звуковой сигнал, и выводится текстовая и графическая информация на дисплей. При наличии бортового компьютера для отображения информации о давлении в шинах используется дисплей компьютера.

Система контроля давления в шинах прямого измерения позволяет оценивать:

  1.  незначительное изменение давления;
  2.  сильное изменение давления;
  3.  внезапное изменение давления.

В системе предусматривается адаптация к изменению параметров давления в шинах в случае их замены. В отдельных системах контрольные параметры задаются заводом-изготовителем.

 Система отопления и кондиционирования

 

Система отопления, вентиляции и кондиционирования автомобиля предназначена для создания и поддержания комфортных условий в салоне автомобиля.

Система имеет следующее общее устройство:

  1.  система отопления;
  2.  система вентиляции;
  3.  система кондиционирования.

Система отопления, вентиляции и кондиционирования, по сути, состоит из трех различных систем, объединенных выполнением одной общей функции.

Система отопления служит для обогрева салона автомобиля. Типовая конструкция системы отопления включает:

  1.  отопитель смешивающего типа;
  2.  центробежный вентилятор;
  3.  направляющие каналы с заслонками.

Направление теплого воздуха осуществляется обычно к ветровому стеклу, боковым передним окнам, в салон автомобиля на уровне лица и ног человека.

Для быстрого нагрева в автомобилях используются электрические нагреватели ветрового и заднего стекол.

Система вентиляции служит для охлаждения воздуха в салоне автомобиля, а также его очистки. Она использует конструктивные элементы системы отопления (вентилятор, направляющие каналы). Система вентиляции также комплектуется фильтром очистки (т.н.салонный фильтр). Фильтр задерживает пыль и твердые частицы, а также может улавливать запахи и вредные вещества.

Для уменьшения нагрева салона автомобиля используютсяатермальные стекла.

Система кондиционирования служит для создания микроклимата в салоне автомобиля. Система имеет возможность, как охлаждать, так и нагревать воздух в салоне автомобиля. Типичная система кондиционирования включает автомобильный кондиционер.

Современные автомобили оборудуются системой климат-контроля. Такие системы поддерживают заданные параметры микроклимата в салоне автомобиля независимо от температуры наружного воздуха. Конструкции отдельных климатических установок предусматривают раздельное регулирование температуры в разных частях салона автомобиля, т.н. раздельный климат-контроль.

Система климат-контроля

 

Современные автомобили оснащаются системой климат-контроля. Данная система предназначена для создания и автоматического поддержания микроклимата в салоне автомобиля. Система обеспечивает совместную работу систем отопления, вентиляции и кондиционирования за счет электронного управления.

Применение электроники позволило добиться зонального регулирования климата в салоне автомобиля. В зависимости от числа температурных зон различают следующие системы климат-контроля:

  1.  однозонный климат-контроль;
  2.  двухзонный климат-контроль;
  3.  трехзонный климат-контроль;
  4.  четырехзонный климат-контроль.

Система климат-контроля имеет следующее общее устройство:

  1.  климатическая установка;
  2.  система управления.

Климатическая установка включает конструктивные элементы систем отопления, вентиляции и кондиционирования, в том числе:

  1.  радиатор отопителя;
  2.  вентилятор приточного воздуха;
  3.  кондиционер, состоящий из испарителя, компрессора, конденсатора и ресивера.

 

Схема системы климат-контроля

Управление климатической установкой осуществляет соответствующая система. Основными элементами системы управления климатом являются:

  1.  входные датчики;
  2.  блок управления;
  3.  исполнительные устройства.

Входные датчики измеряют соответствующие физические параметры и преобразуют их в электрические сигналы. К входным датчикам системы управления относятся:

  1.  датчик температуры наружного воздуха;
  2.  датчик уровня солнечного излучения (фотодиод);
  3.  датчики выходной температуры;
  4.  потенциометры заслонок;
  5.  датчик температуры испарителя;
  6.  датчик давления в системе кондиционирования.

Количество датчиков выходной температуры определяется конструкцией системы климат-контроля. К датчику выходной температуры может быть добавлен датчик выходной температуры в ножное пространство. В двухзонной системе климат-контроля число датчиков выходной температуры удваивается (датчики слева и справа), а в трехзонной – утраивается (слева, справа и сзади).

Потенциометры заслонок фиксируют текущее положение воздушных заслонок.

Датчики температуры испарителя и давления обеспечивают работу системы кондиционирования.

Электронный блок управления принимает сигналы от датчиков и в соответствии с заложенной программой формирует управляющие воздействия на исполнительные устройства.

К исполнительным устройствам относятся приводы заслонок и электродвигатель вентилятора приточного воздуха, с помощью которых создается и поддерживается заданный температурный режим. Заслонки могут иметь механический или электрический привод. В конструкции климатической установки могут применяться следующие заслонки:

  1.  заслонка приточного воздуха;
  2.  центральная заслонка;
  3.  заслонки температурного регулирования (в системах с 2-мя и более зонами регулирования);
  4.  заслонка рециркуляции;
  5.  заслонки для оттаивания стекол.

Принцип работы системы климат-контроля

Система климат-контроля обеспечивает автоматическое регулирование температуры в салоне автомобиля в пределах 16-30 °С.

Желаемое значение температуры устанавливается с помощью регуляторов на панели приборов автомобиля. Сигнал от регулятора поступает в электронный блок управления, где активируется соответствующая программа. В соответствии с установленным алгоритмом блок управления обрабатывает сигналы входных датчиков и задействует необходимее исполнительные устройства. Установленное значение температуры поддерживается автоматически.

Поступающий в салон автомобиля воздух проходит через радиатор отопителя и нагревается теплом охлаждающей жидкости. Степень нагрева воздуха регулируется центральной заслонкой (заслонками тепературного регулирования) путем смешивания холодного и горячего воздуха.

При необходимости включается кондиционер. Кондиционер удаляет излишнее тепло и влагу из салона.

Системы комфорта

Комфорт – одно из основных потребительских качеств современного автомобиля. Повышение комфорта является приоритетным направлением совершенствования транспортных средств. Под комфортом понимается совокупность психических и физических ощущений человека в процессе его контакта с автомобилем или отдельными его элементами.

Комфорт в автомобиле реализуется с помощью различных механических и электронных систем, именуемых системами комфорта. Вместе с тем термин системы комфорта появился сравнительно недавно, а именно с развитием электроники в управлении автомобилем. Поэтому под системами комфорта обычно понимаются электронные системы. Хотя формально к системам комфорта относятся и механические системы, например, ручная регулировка сидения, регулировка положения колонки рулевого колеса и др.

Состав систем комфорта различается в зависимости от класса автомобиля. Чем выше класс автомобиля, тем он более комфортный, соответственно обладает большим числом систем комфорта. Как говорится, комфорта много не бывает.

Электронные системы комфорта могут иметь централизованное (от одного центрального электронного блока управления) идецентрализованное управление (от отдельного электронного блока управления).

Стандартный перечень систем комфорта с централизованным управлением включает:

  1.  центральный замок;
  2.  дистанционное управление центрального замка;
  3.  освещение салона;
  4.  противоугонные системы (сигнализацию, иммобилайзер);
  5.  обогрев заднего стекла.

На отдельные автомобили премиум-класса дополнительно к перечисленным устанавливаются следующие системы комфорта:

  1.  система интеллектуального доступа и запуска двигателя;
  2.  подъемный люк;
  3.  система открывания ворот гаража;
  4.  система контроля давления в шинах;
  5.  электронная блокировка рулевой колонки;
  6.  электронный замок зажигания;
  7.  и др.

Некоторые из перечисленных систем комфорта могут иметь управление и от отдельного блока.

К децентрализованным системам комфорта относятся:

  1.  электростеклоподъемники;
  2.  обогрев зеркал;
  3.  электропривод регулировки зеркал;
  4.  обогрев сидений;
  5.  электрическая регулировка сидений с функцией памяти;
  6.  массаж сидений;
  7.  парктроник;
  8.  парковочный автопилот;
  9.  камера заднего вида;
  10.  автоматические стеклоочистители;
  11.  и др.

Электростеклоподъемники, обогрев и электропривод зеркал, замки дверей имеют, как правило, управление от отдельных блоков в каждой двери. Дополнительно к указанным системам, в передних дверях могут быть реализованы функции складывания зеркал, автоматического затемнения зеркал.

При выключении зажигания и закрытии дверей автомобиля ряд систем комфорта продолжают работать – переходят в «спящий» режим. При этом реализуется минимальный набор функций, включающий работу противоугонной системы, дистанционного управления центральным замком, системы разрешения доступа.

Несмотря на многообразие систем комфорта, можно выделить следующие общие их конструктивные элементы:

  1.  входные устройства;
  2.  электронный блок управления;
  3.  исполнительны устройства.

Входные устройства формируют электрические сигналы, воспринимаемые блоком управления. К ним относятся датчики, всевозможные выключатели, переключатели, кнопки.

На основании электрических сигналов входных устройствэлектронный блок управления формирует управляющие воздействия на исполнительные устройства. Электронные блоки соединяются между собой двухпроводной линией, т.н. CAN-шина.

Исполнительными устройствами различных систем комфорта выступают:

  1.  электродвигатели (запирания дверей, лючка топливного бака, подъема стекол, перемещения зеркал, складывания зеркал, регулировки сидений, открытия люка);
  2.  нагревательные элементы (зеркал, стекла, сидений);
  3.  лампы (внутреннего и внешнего освещения, сигнальные);
  4.  звуковой сигнал (сигнализации, парктроника, системы контроля давления в шинах).

Центральный замок

 

Система центральной блокировки замков автомобиля имеет устоявшееся название центральный замок. Центральный замок предназначен для одновременного запирания или отпирания всех дверей автомобиля, а также крышки лючка топливного бака. Данная система относится к вспомогательным системам автомобиля, т.н. системам комфорта.

Современные автомобили оснащаются системами комфорта, которые обеспечивают управление различными вспомогательными функциями. Наряду с центральным замком к системам комфорта относятся следующие системы (функции):

  1.  электрические стеклоподъемники;
  2.  зеркала заднего вида с электрическим приводом;
  3.  обогрев зеркал заднего вида;
  4.  освещение салона;
  5.  освещение багажника;
  6.  люк на крыше с электрическим приводом;
  7.  и другие.

Система комфорта также обеспечивает управление автомобильной сигнализацией.

Реализация функции блокировки дверей может осуществляться путем централизованного и децентрализованного управления.Централизованное управление предполагает наличие единого электронного блока управления на все двери.

Рост числа функций, подконтрольных системам комфорта, потребовало децентрализации управления. Придецентрализованном управлении, помимо центрального блока управления, в каждой двери устанавливается свой электронный блок управления. Наибольшее распространение на современных автомобилях получила децентрализованная система управления функциями комфорта.

В связи с вышеизложенным, устройство и принцип работы центрального замка рассмотрены в контексте систем комфорта.

Устройство центрального замка

Центральный замок имеет следующее общее устройство:

  1.  входные датчики;
  2.  блок управления;
  3.  исполнительные устройства (актуаторы).

В качестве входных датчиков в системе используются:

  1.  концевые выключатели дверей;
  2.  микропереключатели в конструкции замка.

Концевой выключатель фиксирует текущее положение двери автомобиля, в соответствии с которым передает сигнал в блок управления.

Микропереключатели (обиходное название «микрики») фиксируют текущее положение конструктивных элементов замка двери.

Два микропереключателя фиксируют положение кулачка замка. Кулачковый механизм устанавливается только на передние двери. Поверхность кулачка имеет специальный профиль. Один микропереключатель при срабатывании формирует сигнал «Блокировать» (Lock), другой – «Разблокировать» (Unlock).

Другие два микропереключателя фиксируют положение центрального запорного устройства замка. При срабатывании они формируют сигналы о текущем состоянии замка – «Заблокировано» (Locked) или «Разблокировано» (Unlocked).

Еще один микропереключатель фиксирует положение рычажного механизма в приводе замка, по которому он определяет текущее положение двери. При открытии двери контакты переключателя замыкаются, а система центрального замка не может быть активирована.

Сигналы от переключателей принимает электронный блок управления и передает их на центральный блок управления. Центральный блок направляет соответствующие сигналы в блоки управления дверей и формирует управляющие воздействия на исполнительные устройства замка задней двери (крышки багажника) и замка крышки лючка топливного бака. Блоки управления дверей на основании полученных сигналов активируют исполнительные устройства замков дверей.

Исполнительное устройство замка двери (другое наименование –актуатор) представляют собой электродвигатель постоянного тока, объединенный с простейшим редуктором. С помощью редуктора вращение электродвигателя преобразуется в возвратно-поступательное движение цилиндра замка.

Наряду с электрическим приводом в конструкции исполнительных устройств может применяться пневматический привод. Такой вид привода имели ряд моделей автомобилей Volkswagen и Mercedes. Пневматический привод в настоящее время не применяется.

Большинство систем центрального замка имеют дистанционное управление. Для этого в ручке ключа зажигания встроен радиопередатчик (пульт дистанционного управления). Приемная антенна находится в центральном блоке управления. Дистанционное управление центральным замком осуществляется на расстоянии порядка 10м.

Принцип работы центрального замка

Работа системы центрального замка производится как при включенном, так и при выключенном зажигании автомобиля.

При запирании входных дверей ключом с поворотом ключа в замке срабатывает микропереключатель, отвечающий за блокировку. Сигнал от переключателя подается на блок управления двери и далее на центральный блок управления. Центральный блок формирует управляющие сигналы на все блоки управления дверей и электродвигатели актуаторов задней двери и крышки топливного бака. Срабатывание всех исполнительных механизмов обеспечивает блокировку дверей автомобиля. Сигнал от микропереключателя в центральном запорном устройстве предотвращает повторное срабатывание электрического привода. Снятие с блокировки всех дверей производится аналогичным образом.

Дистанционное блокирование дверей осуществляется при нажатии соответствующей кнопки на ключе зажигания. При этом сигнал поступает на приемную антенну центрального блока управления. После его обработки, блок управления передает сигналы в блоки управления дверей и исполнительные механизмы задней двери и крышки топливного бака. Срабатывание всех исполнительных механизмов обеспечивает блокировку дверей автомобиля. При дистанционном блокировании происходит активация автомобильной сигнализации. Блокировка дверей также может сопровождаться автоматическим подъемом стекол автомобиля.

При дорожно-транспортном происшествии заблокированные двери автоматически открываются. Сигнал от блока управлениясистемой пассивной безопасности передается в центральный блок управления, который в свою очередь обеспечивает срабатывание исполнительных устройств и открытие дверей.

Система интеллектуального доступа в автомобиль

 

Система интеллектуального доступа в автомобиль (другие названия – система доступа без ключа, умный ключ, интеллектуальный ключ) – современная электронная система комфорта, которая идентифицирует владельца автомобиля по коду ответа ключа и обеспечивает автоматическую разблокировку двери при касании ручки и запуск двигателя при нажатии специальной кнопки. При этом электронный ключ может оставаться в кармане.

Впервые система доступа без ключа была использована на автомобиляхMercedes-Benz в 1998 году. В настоящее время система интеллектуального доступа предлагается в стандартной комплектации или в качестве опции на автомобилях различных классов. У разных производителей система имеет свое уникальное название, например:

  1.  Advancad Key от Audi;
  2.  Comfort Access от BMW;
  3.  Keyless Entry от Kia;
  4.  Advanced Keyless & Start System от Mazda;
  5.  Keyless Go от Mercedes-Benz;
  6.  FastKey от Mitsubishi;
  7.  Intelligent Key от Nissan;
  8.  Hands Free KeyCard от Renault;
  9.  Smart Key System от Toyota;
  10.  Keyless Drive от Volvo.

Конструктивно система интеллектуального доступа включает следующие элементы:

  1.  транспондер;
  2.  антенны;
  3.  датчики касания;
  4.  кнопку запуска двигателя;
  5.  электронный блок управления.

Транспондер осуществляет непосредственную идентификацию владельца автомобиля. Он представляет собой микросхему с антенной, которые могут устанавливаться в корпусе физического ключа автомобиля (ключа с металлическим лезвием) или выполняться в виде отдельной пластиковой карты. Предпочтительным является объединение транспондера с физическим ключом.

Антенны обеспечивают радиосвязь автомобиля с электронным ключом. Для полного охвата сигнала в радиусе до 1,5 м по периметру автомобиля устанавливаются 2-4 антенны. Датчики касания устанавливаются в наружных ручках дверей. Они распознают прикасание к ручке двери за счет изменения емкости.

Кнопка запуска двигателя (кнопка «Start») устанавливается на место традиционного замка зажигания или другое место на панели приборов. В некоторых системах вместо кнопки используется переключатель.

Электронный блок управления обеспечивает реализацию функций интеллектуального доступа в автомобиль и запуска двигателя без ключа. В работе блок взаимодействует с блоками управления центрального замка и систему управления двигателем.

Работа системы интеллектуального доступа

При касании водителем ручки двери, индуктивный датчик срабатывает и передает информацию в блок управления. Блок в свою очередь через антенны передает сигнал на электронный ключ (транспондер), который распознает свое положение относительно автомобиля. В данном случае ключ находится вне автомобиля. На основании данного решения передается соответствующий сигнал на приемную антенну центрального замка и противоугонной сигнализации. Сигнализация отключается, а центральный замок разблокирует нужную дверь. Водитель открывает дверь и размещается в автомобиле.

Пуск двигателя производится нажатием соответствующей кнопки. Сигнал от кнопки поступает на блок управления системы и далее через антенны на электронный ключ. Ключ распознает свое положение внутри автомобиля и передает сигнал на антенну центрального замка и противоугонной сигнализации. При этом происходит отключение противоугонных блокировок. Далее блок управления системы производит запрос в блок управления двигателем на предмет готовности к запуску. При положительном ответе осуществляется автоматический пуск двигателя.

При покидании автомобиля водителем блокировка дверей и активизация противоугонной сигнализации может производиться разными способами в зависимости от вида системы: нажатием кнопки на дверной ручке, касанием дверной ручки или просто уход из автомобиля.

В некоторых продвинутых системах с помощью интеллектуального ключа производятся различные настройки систем автомобиля. При открытии автомобиля устанавливается заданное положениеводительского сиденья, рулевого колеса, наружного зеркала заднего вида, температурный режим системы климат-контроля, производится настройка каналов радиоприемника.

Дальше всех в дополнительных настройках с помощью электронного ключа пошел Ford, который в системе MyKey реализовал контроль за скоростным режимом и уровнем громкости радиоприемника.

Электростеклоподъемники

 

Электрическим стеклоподъемником(электростеклоподъемником) называется стеклоподъемник, имеющий электрический привод. Электростеклоподъемники относятся к системам комфорта, т.к. обеспечивают дополнительные удобства водителю и пассажирам при подъеме (опускании) стекол боковых дверей. В настоящее время электростеклоподъемники почти полностью вытеснили механические стеклоподъемники, использующие ручной привод.

Электрический стеклоподъемник устанавливаются внутри корпуса двери, непосредственно на самом корпусе или на отдельном подрамнике. Электростеклоподъемник имеет следующее общееустройство:

  1.  приводной механизм;
  2.  механизм подъема;
  3.  система управления.

Приводной механизм (мотор-редуктор) объединяет электрический двигатель, червячную передачу и зубчатую передачу, выполненный в виде единого блока. Он служит для создания усилия, необходимого для перемещения стекла. Применение в механизме червячной передачи обеспечивает защиту от несанкционированного открытия окна. В червячном редукторе передача вращения производится только в одном направлении – от червяка к колесу. При попытке вращения в противоположном направлении происходит блокировка передачи.

Механизм подъема производит непосредственное перемещение стекла. В зависимости от конструкции механизмов подъема различают следующие виды стеклоподъемников:

  1.  тросовый;
  2.  рычажный;
  3.  реечный.

В конструкции современных автомобилей наиболее востребованы тросовый и рычажный механизмы подъема.

Тросовый стеклоподъемникпредставляет собой гибкий элемент (трос, зубчатый ремень, цепь), натянутый между несколькими роликами внутри двери. Движение гибкому элементу передается через приводной барабан. При вращении барабана одна ветвь гибкого элемента наматывается, другая сматывается, а сам элемент получает поступательное движение. Гибкий элемент соединяется со стеклом с помощью пластины.

Рычажный стеклоподъемникобъединяет рычаг, ползун, установленный на конце рычага, и пластину крепления стекла. Механизм подъема может иметь один или два рычага (для обеспечения равномерности перемещения). Вращение от приводного механизма передается на колесо с сектором, находящееся в зацеплении с рычагом и обеспечивающее его движение. Некоторые двухрычажные конструкции имеют два колеса.

Реечный механизм подъемасостоит из неподвижной зубчатой рейки и направляющей пластины, соединенной со стеклом. На пластине также размещен приводной механизм, шестерня которого находится в зацеплении с зубчатой рейкой и обеспечивает перемещение стекла.

Перемещение стекла в заданном направлении обеспечиваютнаправляющие: желоба в рамках двери, специальные рельсы в корпусе двери.

Электрические стеклоподъемники могут иметь систему управления двух видов:

  1.  непосредственное управление;
  2.  электронное управление.

Непосредственное управление электростеклоподъемникомосуществляется с помощью трехпозиционного переключателя, включенного в цепь питания электродвигателя. При перемещении переключателя в первую позицию двигатель вращается в одну сторону, при перемещении во вторую позицию происходит смена полярности и соответственно изменение направления вращения двигателя. Ввиду травмоопасности данный вид стеклоподъемника имеет очень ограниченное применение.

Электронное управление стеклоподъемниками имеет более сложную конструкцию:

  1.  входные устройства;
  2.  электронный блок управления;
  3.  исполнительное устройство.

К входным устройствам относятся переключатель режимов работы, а также датчики положения стекла. В электронной системе управления применяются также трехпозиционные переключатели. На водительской двери (панели управления, центральной консоли) устанавливается блок переключателей, с помощью которого можно управлять стеклоподъемниками всех дверей. Там же может устанавливаться выключатель блокировки стеклоподъемников дверей.

В качестве датчиков положения стекла могут использоватьсядатчики Холла. Датчики устанавливаются на червячном колесе. В результате работы датчиков изменение магнитного потока, возникающее при вращении червячного колеса, преобразуется в импульсы напряжения на выходе датчика. Электронный блок управления учитывает:

  1.  число импульсов при определении величины подъема (опускания) стекла;
  2.  продолжительность импульсов при включении блокировки движения стекла;
  3.  сдвиг импульсов от двух датчиков при установлении направления движения.

Каждый стеклоподъемник имеет, как правило, свой электронный блок управления. Блок управления преобразует сигналы входящих устройств в управляющее воздействие на исполнительное устройство – электродвигатель постоянного тока. Все блоки связаны между собой через центральный блок управления системами комфорта.

Электронное управление обеспечивает значительное расширение функциональных возможностей электростеклоподъемников. Помимо традиционных функций подъема-опускания стекол, в работе стеклоподъемников могут быть реализованы следующие функции:

  1.  автоматическое открывание (закрывание) окна;
  2.  блокировка включения переключателей;
  3.  возможность работы после остановки двигателя;
  4.  реверсирование движения при встрече препятствия при закрывании окна;
  5.  внешнее управление стеклоподъемниками;
  6.  автоматическое опускание стекла при открывании безрамной двери.

Функция автоматического открывания и закрывания оконоснована на продолжительности нажатия переключателя. Кратковременное нажатие на переключатель инициирует подъем (опускание) стекла, продолжительное нажатие – автоматическое закрывание (открывание) окна.

Для обеспечения безопасности при перевозке детей предусмотренаблокировка электростеклоподъемников задних дверей с водительского места.

В программе электростеклоподъемников заложена возможность работы после остановки двигателя и выключения зажигания, что позволяет закрывать окна, не запуская двигатель повторно. Продолжительность работоспособного состояния стеклоподъемников после остановки двигателя может колебаться в зависимости от конструкции от нескольких секунд до нескольких минут.

Важной функцией, с точки зрения безопасности, являетсяреверсирование движения стекла при встрече препятствия на подъеме. Данная функция реализуется путем контроля скорости вращения приводного механизма. Как только скорость механизма уменьшается (датчики Холла подают сигналы большей продолжительности), электронный блок управления меняет направление вращения электродвигателя на противоположное, а стекло начиняет двигаться вниз.

Достаточно редко применяется функция внешнего управления стеклоподъемниками, которое производится поворотом ключа зажигания, вставленного в замок двери. На некоторых моделях автомобилей предусмотрена возможность закрывания окон с помощью центрального замка с дистанционным управлением.

Для автомобилей-купе, оборудованных безрамными окнами, предусмотрена функция автоматического опускания стекла на несколько миллиметров, чем достигается беспрепятственное открывание двери.

Стеклоочистители

 

Стеклоочистители (обиходное название – «дворники») – система автомобиля, предназначенная для удаления влаги и грязи с автомобильных стекол. По своей сути стеклоочиститель относится ксистемам активной безопасности, т.к. обеспечивает видимость в любых условиях, тем самым предотвращает аварию.

Стеклоочистители устанавливаются на ветровом стекле, заднем стекле (кроме автомобилей с кузовом седан). На некоторых автомобилях применяются стеклоочистители фар. Для повышения эффективности очистки стеклоочиститель применяется совместно состеклоомывателем.

Стеклоочиститель имеет следующее общее устройство:

  1.  привод;
  2.  щетки;
  3.  система управления.

Привод стеклоочистителей обеспечивает возвратно-поступательное движение щеток (щетки) по стеклу. Самым распространенным является электрический привод стеклоочистителей. Типовой электрический привод включает:

  1.  электродвигатель;
  2.  червячный редуктор;
  3.  трапецию;
  4.  поводки.

В приводе может применяться один (объединенный привод щеток индивидуальный привод щетки) или два (индивидуальный привод щеток) электродвигателя. Червячный редуктор увеличивает усилие от электродвигателя в несколько десятков раз. Трапеция представляет собой систему рычагов, преобразующих вращательное движение редуктора в возвратно-поступательное движение поводков. К поводкам крепятся щетки.

Различают несколько типов крепления щетки к поводку, обусловленных интересами разных производителей:

  1.  крючок (самый распространенный);
  2.  боковой штырь;
  3.  кнопка;
  4.  булавка;
  5.  боковое крепление;
  6.  боковой зажим;
  7.  штыковой замок;
  8.  и др.

Непосредственная очистка стекла от влаги и грязи производится с помощью щеток. Различают два типа щеток:

  1.  каркасные;
  2.  бескаркасные.

Каркасную щетку объединяет жесткий каркас, состоящий из шарнирно соединенных коромысел, и резиновую ленту специального профиля. Каркас обеспечивает равномерную передачу давления на стекло от поводка. Лента с каркасом соединяется с помощью зажимов.

Бескаркасная щетка представляет собой изогнутый пружинный стальной элемент, размещенный внутри резиновой ленты – щетки. Высокое качество очистки стекла в зимнее время обеспечивает бескаркасная щетка с подогревом, подключаемая посредством провода к прикуривателю автомобиля. Альтернативой данному решению является подогрев места установки каркасной щетки на стекле, предотвращающий замерзание и обледенение резиновой ленты.

На каркасной и бескаркасной щетки может устанавливатьсяспойлер, компенсирующий парусность щетки и увеличивающий прижимное усилие к стеклу.

Ветровое стекло может очищаться двумя или одной щетками. Движение двух щеток может быть попутным (tandem) или встречным (opposed). Одинарная щетка, в отличие от двойных щеток, имеет меньшую площадь очистки. Этого недостатка лишена конструкция стеклоочистителя Monoblade от Mercedes-Benz, которая обеспечивает движение щетки по периметру ветрового стекла.

Стеклоочиститель может иметь электрическое или электронное управление. Электрическое управление представляет собой электрическую цепь, включающую подрулевой переключатель и реле. Переключатель предусматривает несколько непрерывных (низкая и высокая скорость) и несколько прерывистых (дискретных) режимов.

Более совершенным является электронное управление стеклоочистителем, которое помимо традиционных режимов (непрерывное и прерывистое движение щеток) может обеспечивать ряд дополнительных функций:

  1.  автоматическое включение стеклоочистителя;
  2.  автоматическое изменение режимов движения щеток в зависимости от количества воды на стекле;
  3.  блокировка щеток при распознавании препятствия на стекле;
  4.  сервисное (для замены и очистки) и зимнее (предотвращает примерзание) положение щеток при выключенном двигателе;
  5.  отключение стеклоочистителя при открытом капоте автомобиля;
  6.  удаление щеток с поля зрения водителя после окончания очистки стекла;
  7.  дополнительная очистка стекла при окончании пользования стеклоомывателем (удаление подтеков).

Автоматическое регулирование работы стеклоочистителя производится с помощью датчика дождя. Датчик дождяустанавливается с внутренней стороны ветрового стекла рядом сзеркалом заднего вида. Конструктивно датчик объединен сдатчиком освещенности (находятся в одном корпусе).

Схема датчика дождя

Датчик дождя состоит из светодиода, фотодиода и оптического элемента. Свет от светодиода отражается от поверхности стекла, фокусируется оптическим элементом и воспринимается фотодиодом. При этом количества света, попадающего на фотодиод, изменяется в зависимости от количества воды на стекле. Изменяется и выходной сигнал фотодиода, который обрабатывается электронным блоком управления стеклоочистителя. Блок управления, в свою очередь, устанавливает определенный режим электродвигателя.

Таким образом, чем больше воды или грязи на ветровом стекле, тем интенсивнее работают щетки стеклоочистителя. Если с водой автоматика справляется успешно, то очистка грязи создает проблемы. Датчик дождя при этом отключается, а управление щетками производится вручную. Благо, что в конструкции предусмотрено принудительное отключение датчика дождя, изначально предусмотренное для помывки машины.

Стеклоомыватель

 

Стеклоомыватель (другое название - омыватель лобового стекла) является неотъемлемым спутником стеклоочистителя автомобиля. Стеклоомыватель при необходимости доставляет и разбрызгивает омывающую жидкость на лобовое стекло, за счет чего повышается эффективность работы стеклоочистителя. На автомобилях с типом кузова хэтчбек, универсал и др. дополнительно устанавливаетсяомыватель заднего стекла.

Конструкция стеклоомывателя на протяжении многих лет изменялась незначительно и в настоящее время включает: бачок, насос, форсунки и соединительную арматуру.

Бачок стеклоомывателя является резервуаром для омывающей жидкости. Стандартная емкость бачка 2,5-4 л. Бачок, дополнительно обслуживающий омыватель фар, имеет большую емкость. Бачок стеклоомывателя располагается в моторном отсеке. В связи с дефицитом подкапотного пространства в современных автомобилях форма и расположение бочка согласовывается с общей компоновочной схемой силовой установки. Бачок снабжен заливной горловиной с крышкой. На поверхность крышки нанесен характерный рисунок, предполагающий однозначное прочтение водителем.

Автомобили со стеклоомывателем и омывателем фар в обязательном порядке оборудуются датчиком уровня омывающей жидкости. На другие автомобили датчик может устанавливаться в качестве опции. Датчик уровня жидкости поплавкового типа располагается в бачке омывателя лобового стекла. Поплавок скользит по стержню. В нижнем положении поплавка контакты замыкаются, и загорается сигнальная лампа на панели приборов. При наличии бортового компьютера на дисплее появляется надпись о необходимости долить жидкость.

Насос омывателя лобового стекла обеспечивает подачу омывающей жидкости к форсункам под определенным давлением. Насос жестко закреплен на бачке омывателя через уплотнительное кольцо. Насос центробежного типа. Конструктивно он объединяет электродвигатель постоянного тока и рабочее колесо. В насосе может устанавливаться фильтр грубой очистки. Для омывателя заднего стекла (омывателя фар) может устанавливаться дополнительный (второй) насос.

Конечным элементом в конструкции стеклоомывателя являютсяфорсунки. Форсунки устанавливаются в крышке капота, как правило, попарно. Они производят разбрызгивание омывающей жидкости на лобовое стекло. Различают два типа форсунок омывателя: струйные и веерные. Струйная форсунка имеет одно или два сопла, которые формируют одну или две струи жидкости на лобовое стекло. Работа форсунок (направление струи) регулируется с помощью специального инструмента.

Более современным решением является т.н. веерная форсунка. Форсунка производит разбрызгивание омывающей жидкости одновременно на значительную поверхность лобового стекла. Веерный характер разбрызгивания обеспечивает особая конструкция сопла форсунки и большее давление в системе стеклоомывателя. Совместно с веерными форсунками устанавливается обратный клапан, который поддерживает систему стеклоомывателя постоянно в заполненном состоянии и способствует быстрому созданию давления.

Преимуществом веерных форсунок является пониженный расход, равномерное разбрызгивание омывающей жидкости, что позволяет щеткам стеклоочистителя работать более эффективно. Недостаток веерных форсунок вытекает из их достоинства – при разбрызгивании жидкость закрывает большую поверхность стекла, что на мгновение ухудшает видимость и снижает безопасность.

Как альтернатива стационарным форсункам были разработаныподвижные форсунки. Блок форсунок закреплялся на рычаге щетки и запитывался от гибкого шланга. Система обеспечивала лучшее омывание, экономию жидкости, но, к сожалению, не получила распространения.

Соединительная арматура стеклоомывателя объединяет насос с форсунками. Она представлена пластмассовыми трубками и соединителями (в обиходе – «тройник», «двойник»).

Для повышения эффективности использования стеклоомывателя в зимнее время предлагаются различные системы подогрева омывающей жидкости: подогрев бачка (змеевик охлаждающей жидкости или электронагреватель в бачке), форсунки с электроподогревом, электроподогрев и (или) утепление трубок. Системы могут использоваться как отдельно, так и в комплексе.

Омыватель фар

 

Загрязнение передних фар приводит к ухудшению освещения. Так, при двадцатипроцентном загрязнении фар количество света уменьшается в два раза. В ксеноновых фарах загрязнение приводит к сильному преломлению и рассеиванию светового пучка и соответственно ослеплению других водителей. Применение омывателя фар повышает комфорт и безопасность эксплуатации автомобиля. В ряде стран омыватель является обязательным устройством при использовании ксеноновых фар.

Различают два типа омывателей фар: щеточные и струйные. В щеточном омывателе очистка фары производится движущейся щеткой. При работе омывателя на фару под небольшим давлением продается небольшое количество жидкости, щетка получает движение от электродвигателя и загрязнение удаляется с рассеивателя фары. Щеточный омыватель используется с фарами, имеющими стеклянный рассеиватель. Пластиковый рассеиватель чувствителен к механической очистке. Щеточные омыватели фара ушли в прошлое вместе со стеклянными рассеивателями.

На современных автомобилях используются струйные омыватели фар, в которых для очистки используется кинетическая энергия струи. В данном устройстве струя омывающая жидкость направляется под высоким давлением на рассеиватель фары. Очищающий эффект зависит от угла наклона струи к рассеивателю, реактивной скорости струи, расстояния между форсункой и фарой, объема распыляемой жидкости и степени ее распыла. Струйный омыватель устанавливается опционально на большинстве современных автомобилей, а также предлагается к самостоятельной установке в виде комплектов.

Конструктивно струйный омыватель фар похож на омыватель лобового стекла. Он включает следующие элементы:

  1.  бачок омывающей жидкости;
  2.  насос высокого давления;
  3.  соединительные шланги;
  4.  блоки форсунок;
  5.  систему управления.

В системе омывателя фар используется общий с омывателем лобового стекла бачок. Количество омывающей жидкости в бачке должно обеспечивать порядка 25 циклов очистки (за одно срабатывание распыляется до 200 г омывающей жидкости). Для систем с одинарной форсункой на фару емкость бочка должна быть не менее 2,5 л, со сдвоенными форсунками – не менее 4 л.

Насос обеспечивает давление омывающей жидкости в системе. Для создания давления используется насос роторного типа, который обеспечивает давление в пределе 0,2-0,5 МПа. Насос включен вэлектрическую систему автомобиля.

Соединительные шланги не менее важный элемент системы. Их длина, диаметр должны быть согласованы с объемом впрыскиваемой жидкости и продолжительностью впрыска. Общая длина соединительных шлангов составляет порядка 2-4 м. Шланги соединены между собой с помощью пластиковых соединителей. В одном из соединителей установлен обратный клапан.

Форсунки обеспечивают равномерность распределения потока жидкости на рассеиватель фары и оптимальный расход жидкости. Наиболее эффективный распыл реализуется вихреобразными форсунками, в которых омывающая жидкость перед распылом закручивается в вихревой камере. В зависимости от площади поверхности фары применяют одинарные или сдвоенные форсунки.

Различают два вида форсунок - стационарные и телескопические.Стационарные форсункиустанавливаются в бампере автомобиля и отличаются простотой конструкции. Применение стационарных форсунок должно быть согласовано с дизайном автомобиля.

 

Телескопические форсункинаиболее популярны в конструкции струйных омывателей. Они не нарушают дизайн автомобиля (форсунка закрыта крышкой и почти не заметна), обеспечивают лучшую очистку фары за счет оптимального расстояния и угла распыления. Из недостатков можно отметить высокую вероятность примерзания крышки форсунки к бамперу в зимнее время. Телескопическая форсунка устанавливается в бампере, реже в вырезе блок-фары.

Конструктивно телескопическая форсунка представляет собойгидравлический цилиндр, запитанный омывающей жидкостью. Жидкость под давлением поступает в гидроцилиндр и перемещает поршень. На поршне расположен шток с форсункой. При достижении поршнем крайнего положения, жидкость через отверстие перепускается в шток и далее поступает к форсунке. Происходит распыл жидкости, давление в системе падает, и поршень со штоком под действием возвратной пружины занимает исходное положение.

Управление струйным омывателем фар реализовано двумя способами:

  1.  автоматическое включение;
  2.  принудительное включение.

Автоматическое включение предусмотрено во многих штатных омывателях фар. Алгоритм работы запускается, как правило, при включенном ближнем свете фар и удержании рычага стеклоочистителя лобового стекла во включенном состоянии определенное время (более 1 сек). В некоторых системах омыватель срабатывает через определенное числа включений омывателя лобового стекла, что не очень удобно, т.к. связано с большим расходом омывающей жидкости.

Наиболее совершенной является интеллектуальная система управления омывателем фар. Система отслеживает интенсивность использования омывателя лобового стекла и определяет периодичность срабатывания омывателя фар.

Самый простой способ управления омывателем фар с помощью кнопки (нажал кнопку – сработал омыватель). Кнопка устанавливается на панели приборов. Данный способ управления обеспечивает значительную экономию омывающей жидкости. Необходимость постоянного нажатия кнопки отвлекает внимание водителя.

Другие системы автомобиля

 

Данный раздел создан по двум причинам:

Во-первых, в нем планируется размещать информацию о системах автомобиля, которые не относятся ни к одному из направлений, представленных на сайте.

Во-вторых, на страницах раздела будут публиковаться новые разработки мирового и отечественного автопрома.

В настоящее время подготовлены и размещены в данном разделе следующие материалы:

Система автоматического управления автомобилем

Система автоматического управления от Google в настоящее время реализована на шести опытных автомобилях Toyota Prius и Audi TT

Система обнаружения возможных дорожных пробок

Компания Honda представила систему обнаружения возможных дорожных пробок, которая служит для их предотвращения

Автомобильная аудиосистема

В настоящее время производится множество аудиокомпонентов, из которых создаются различные по составу и качеству звучания аудиосистемы. Проектирование аудиосистем является одним из самых популярных направлений автомобильного тюнинга

Система Алколок (Alcolock)

Система Алколок активно внедряется во многих странах Евросоюза, США, Канаде и Австралии. Вместе с тем, юридически ее применение закреплено только в Финляндии

Система активного шумоподавления

Система предназначена для подавления шума от двигателя и других агрегатов в салоне автомобиля. Уровень низкочастотных шумов снижается на 5-8 ДБ

Система слежения за автомобилем

Современные системы слежения за автомобилем используют GPS или ГЛОНАСС технологии для определения местоположения транспортного средства

Система контроля расхода топлива

Система позволяет выявлять факты нерационального использования машины (повышенные нагрузки, превышение скорости, отклонение от маршрута, простой) и хищения топлива

Система защиты дверей от поврежденияСистема Door Edge Protector срабатывает автоматически и защищает от повреждения как сам автомобиль, так и рядом стоящее транспортное средство

Система дополненной реальности

Система основывается на использовании вместо окна транспортного средства прозрачного сенсорного экрана, реализующего интерактивный интерфейс

Противоугонные системы

Самым распространенным типом противоугонных систем являются электронные системы, к которым относятся сигнализации, иммобилайзеры, спутниковые системы

Иммобилайзер

Иммобилайзер - разновидность противоугонной системы, препятствующей несанкционированному запуску двигателя с использованием самодельного ключа или без ключа

Автомобильная сигнализация

Автомобильная сигнализация является электронной противоугонной системой, в которой реализовано, как правило, несколько функций, связанных с охраной, защитой и сервисом

Автомобильная навигационная система

За последние несколько лет автомобильная навигационная система из дорогой игрушки превратилась в надежного помощника водителя

Система сквозного видения

Система сквозного видения призвана помочь водителю, движущемуся за крупногабаритным транспортным средством, совершить безопасный обгон

Проекционный дисплей

Система проецирует на лобовое стекло автомобиля или специальный экран актуальную информацию, которая располагается на линии взгляда водителя

 

Дальнейшее развитие нашего сайта во многом будет зависеть от вас, уважаемые посетители. Сообщите какую информацию и о каких системах автомобиля вы хотели бы получить и соответствующая статья обязательно появится на страницах сайта. Нам также очень важна ваша оценка уже представленного на сайте материала.

Неисправности систем автомобиля

 

Автомобиль является сложным техническим устройством, в котором взаимодействует множество систем. Несмотря на высокую технологичность и надежность современного автомобиля, периодически происходят поломки транспортного средства. Даже владелец нового автомобиля не застрахован от неисправностей, и гарантийный срок тому свидетельство.

При возникновении неисправности встают два вопроса:

  1.  установление неисправности (диагностика);
  2.  устранение неисправности (ремонт).

Попытаемся ответить на оба вопроса.

Процесс оценки технического состояния автомобиля и определения неисправностей называется диагностикой. От качества проведения диагностики зависит объем ремонтных работ и, следовательно, затраты на его проведение. В зависимости от способа проведения различают следующие виды диагностики:

  1.  диагностика по внешним признакам (косвенная диагностика);
  2.  техническая диагностика (прямая диагностика).

Автолюбитель, наделенный знаниями конструкции автомобиля, в состоянии самостоятельно провести диагностику по внешним признакам. Это вдвойне актуально, если вы находитесь в пути и до ближайшего автосервиса многие километры.

Проведение технической диагностики требует наличия специальных знаний и навыков, а также применения различных приборов. По этой причине техническая диагностика осуществляется, как правило, в специализированных центрах. Разновидностью технической диагностики является компьютерная диагностика. С помощью специального программного обеспечения производится проверка работоспособности электронных компонентов автомобиля.

Опытный водитель производит косвенную диагностику автомобиля постоянно – от момента посадки в автомобиль и до конечной остановки. Это происходит почти автоматически. Во время движения основное внимание уделяется показаниям контрольно-измерительных приборов, а также характеристикам движения: режиму работы двигателя, устойчивости, плавности хода, легкости управления, эффективности торможения. Отклонения от стандартных параметров, как правило, свидетельствует о возникшей неисправности.

При диагностике неисправностей необходимо руководствоваться следующими принципами:

  1.  выявление и учет всех очевидных фактов, другими словами, установление всех внешних признаков неисправности;
  2.  проводение диагностирования от простого к сложному, последовательно исключая возможные неисправности.

Как показывает практика, неисправность системы автомобиляредко возникает неожиданно. Внешние признаки неисправности появляются постепенно. Необходимо помнить, что крупных неисправностей можно избежать, если своевременно диагностировать и устранить мелкие неполадки.

Признаки неисправностей, соответствующие определенным органам чувств человека, можно разделить на следующие виды:

  1.  акустические признаки (слух);
  2.  визуальные признаки (зрение);
  3.  эксплуатационные признаки (обоняние и осязание).

Конкретная неисправность может иметь несколько внешних признаков. Это могут быть как признаки одного вида, так и их комбинация. Например, повреждение в топливной системесопровождается повышенным расходом топлива, а также запахом бензина в салоне и подтеками под автомобилем.

С другой стороны несколько неисправностей могут иметь схожие внешние признаки. К примеру, повышенный расход топлива свидетельствует о неисправности форсунок, а также неправильной установке угла опережения зажигания, низком давлении в шинах и др.

Самую большую группу составляют акустические признаки неисправностей: всевозможные шумы, стуки, скрипы, гул, скрежет, треск и др. Источники посторонних звуков многочисленны, но основными являются неисправности двигателя, трансмиссии, ходовой части и рулевого управления. В среде автомобилистов есть крылатая поговорка: «Хороший стук всегда наружу вылезет». Многие ее понимают дословно и эксплуатируют автомобиль до конкретной поломки. Вместе с тем, смысл поговорки несколько иной – каждый посторонний звук в автомобиле говорит о зарождающейся неисправности. И чем раньше мы ее установим, тем меньшие последствия будут для автомобиля и, соответственно, для нашего кошелька. Самое главное не промахнуться с диагнозом.

При появлении посторонних звуков в автомобиле водитель должен четко представлять, при каких звуках (читаем - неисправностях) можно продолжать движение, а при каких движение строго запрещено. К примеру, большинство посторонних звуков в двигателе не предполагает дальнейшую эксплуатацию автомобиля.

Для диагностирования неисправности по звуку необходимо установить характер звука, источник распространения, а также изменение звучания при увеличении скорости и смене направления движения. Звук должен прослушиваться как в салоне автомобиля, так и за его пределами, в том числе в подкапотном пространстве.

Визуальная диагностика неисправностей производится на основе показаний контрольно-измерительных приборов на панели управления, а также путем внешнего осмотра автомобиля. При проведении внешнего осмотра особое внимание уделяется наличию подтеков под автомобилем, исправности шин, внешних осветительных приборов. Периодически проводится внешний осмотр систем и механизмов в подкапотном пространстве. Проверяется уровень масла и специальных жидкостей, наличие подтеков на двигателе и коробке передач, целостность воздушных патрубков и электрической проводки.

К эксплуатационным признакам неисправностей относятся признаки, определяющиеся с помощью обоняния и осязания. Запахи играют важную роль в диагностике неисправностей систем автомобиля. Так, запах бензина в салоне свидетельствует онеисправности топливной системы, запах выхлопных газов (если это не идущий впереди «КамАЗ») – о неисправности выпускной системы, запах подгоревшего машинного масла – о неисправности системы смазки. Сладкий химический аромат появляется при подтекании охлаждающей жидкости - неисправности системы охлаждения. Прогоревший катализатор сопровождается запахом тухлых яиц. Имеет свой специфичный запах и плавящаяся проводка электрооборудования автомобиля.

В диагностике неисправностей также активно участвует тело человека: руки, ноги, «пятая точка», кожные покровы. С помощью осязания определяются многие неисправности. Например, рывки при движении свидетельствуют о неисправности системы зажигания. Затруднения при переключении передач проявляются принеисправности коробки. Неисправности элементов подвески (пружин, амортизаторов) сопровождаются проседанием автомобиля. Увеличенный ход педали тормоза говорит о неисправности тормозной системы и т.д.

Таким образом, по внешним признакам можно определить множество неисправностей, но далеко не все, особенно в части электроники. Во многих случаях совремнному автомобилю требуется техническая диагностика.

Задачу по устранению выявленной неисправности каждый водитель решает самостоятельно. Устранение некоторых неисправностей не требует специальных навыков. Вместе с тем серьезные ремонтные работы лучше доверять специалистам.

 Неисправности кривошипно-шатунного механизма

 

Неисправности кривошипно-шатунного механизма – самые серьезные неисправности двигателя. Их устранение очень трудоемкое и затратное, так как, зачастую, предполагает проведение капитального ремонта двигателя.

К неисправностям кривошипно-шатунного механизма относятся:

  1.  износ коренных и шатунных подшипников;
  2.  износ поршней и цилиндров;
  3.  износ поршневых пальцев;
  4.  поломка и залегание поршневых колец.

Основными причинами данных неисправностей являются:

  1.  выработка установленного ресурса двигателя;
  2.  нарушение правил эксплуатации двигателя (использование некачественного масла, увеличение сроков технического обслуживания, длительное использование автомобиля под нагрузкой и др.)

Практически все неисправности кривошипно-шатунного механизма (КШМ) могут быть диагностированы по внешним признакам, а также с помощью простейших приборов (стетоскопа, компрессометра). Неисправности КШМ сопровождаются посторонними шумами и стуками, дымлением, падением компрессии, повышенным расходом масла.

Внешние признаки и соответствующие им неисправности КШМ

Признаки

Неисправности

  1.  глухой стук в нижней части блока цилиндров (усиливается при увеличении оборотов и нагрузки);
  2.  снижение давления масла (горит сигнальная лампа)

износ коренных подшипников

  1.  плавающий глухой стук в средней части блока цилиндров (усиливается при увеличении оборотов и нагрузки, пропадает при отключении соответствующей свечи зажигания);
  2.  снижение давления масла (горит сигнальная лампа)

износ шатунных подшипников

  1.  звонкий стук (стук глиняной посуды) на холодном двигателе (исчезает при прогреве);
  2.  синий дым отработавших газов

износ поршней и цилиндров

  1.  звонкий стук в верхней части блока цилиндров на всех режимах работы двигателя (усиливается при увеличении оборотов и нагрузки, пропадает при отключении соответствующей свечи зажигания)

износ поршневых пальцев

  1.  синий дым отработавших газов;
  2.  снижение уровня масла в картере двигателя;
  3.  работа двигателя с перебоями

поломка и залегание колец

 

При диагностировании износа коренных и шатунных подшипниковдальнейшая эксплуатация автомобиля категорически запрещена. В остальных случаях с максимальной осторожностью необходимо выдвинуться в гараж или автосервис.

Неисправности газораспределительного механизма

 

Основными неисправностями газораспределительного механизма (ГРМ) являются:

  1.  нарушение тепловых зазоров клапанов (на двигателях с регулируемым зазором);
  2.  износ подшипников, кулачков распределительного вала;
  3.  неисправности гидрокомпенсаторов (на двигателях с автоматической регулировкой зазоров);
  4.  снижение упругости и поломка пружин клапанов;
  5.  зависание клапанов;
  6.  износ и удлинение цепи (ремня) привода распределительного вала;
  7.  износ зубчатого шкива привода распределительного вала;
  8.  износ маслоотражающих колпачков, стержней клапанов, направляющих втулок;
  9.  нагар на клапанах.

Можно выделить следующие причины неисправностей ГРМ (они, в основном, аналогичны причинам неисправностей кривошипно-шатунного механизма):

  1.  выработка установленного ресурса двигателя и, как следствие, высокий износ конструктивных элементов;
  2.  нарушение правил эксплуатации двигателя, в том числе использование некачественного (жидкого), загрязненного масла, применение бензина с высоким содержанием смол, длительная работа двигателя на предельных оборотах.

Самой серьезной неисправностью газораспределительного механизма является т.н. зависание клапанов, которое может привести к серьезным поломкам двигателя. Причин у неисправности две. Применение некачественного бензина, сопровождающееся отложением смол на стержнях клапана. Другой причиной является резонанс, ослабление или поломка пружин клапанов. В этом случае при достижении поршнем верхней мертвой точки клапан не успевает сесть в «седло». К счастью, данная неисправность на современных автомобилях встречается достаточно редко.

Отдельно необходимо сказать о неисправностях гидрокомпенсаторов. При использовании жидкого или сильно загрязненного масла гидрокомпенсатор перестает выполнять свою основную функцию, а именно автоматически компенсировать зазоры в ГРМ. Дальнейшая эксплуатация двигателя может привести к заклиниванию гидрокомпенсаторов.

Нарушение теплового зазора на двигателях с регулируемым зазором может произойти по причине износа подшипников и кулачков распределительного вала, износа зубчатого шкива привода распределительного вала, а также вследствие неправильной регулировки.

Неисправности ГРМ достаточно сложно диагностировать, т.к. сходные внешние признаки могут соответствовать нескольким неисправностям. Зачастую конкретная неисправность устанавливается непосредственным осмотром конструктивных элементов ГРМ со снятием крышки головки блока цилиндров.

Большинство неисправностей газораспределительного механизма приводит к нарушениям фаз газораспределения, при которых двигатель начинает работать нестабильно и не развивает номинальной мощности.

Внешние признаки и соответствующие им неисправности ГРМ

Признаки

Неисправности

  1.  металлический стук в головке блока цилиндров на малых и средних оборотах;
  2.  снижение мощности двигателя
  1.  нарушение теплового зазора клапанов;
  2.  износ подшипников, кулачков распределительного вала
  1.  металлический стук в головке блока цилиндров на холодном двигателе;
  2.  снижение мощности двигателя
  1.  неисправности гидрокомпенсаторов
  1.  шум в районе привода распределительного вала;
  2.  выстрелы в глушитель
  1.  износ и удлинение цепи (ремня) привода распределительного вала;
  2.  износ зубчатого шкива привода
  1.  синий дым отработавших газов;
  2.  снижение уровня масла в картере двигателя;
  3.  снижение мощности двигателя
  1.  износ маслоотражающих колпачков, стержней клапанов, направляющих втулок;
  2.  неисправности КШМ
  1.  звонкие металлические стуки (детонационные стуки) при разгоне автомобиля;
  2.  работа двигателя с перебоями
  1.  нагар на клапанах;
  2.  неисправности КШМ;
  3.  бензин низкого качества
  1.  кратковременные провалы в работе холодного двигателя;
  2.  снижение мощности двигателя;
  3.  перегрев двигателя
  1.  снижение упругости и поломка пружин клапанов;
  2.  зависание клапанов

Неисправности системы впрыска

 

Достаточно часто водителю автомобиля, особенно ненового, приходится сталкиваться с неисправностями системы впрыска: от банального засорения форсунок до серьезных неполадок в электронике.

Неисправности в системе впрыска появляются в силу разных причин. Вместе с тем, можно выделить следующие основные причины неисправностей:

  1.  предельный срок службы конструктивных элементов системы;
  2.  технические дефекты (брак) конструктивных элементов;
  3.  нарушение правил эксплуатации (применение некачественного бензина, загрязнения в системе и др.);
  4.  внешние воздействия на конструктивные элементы (окисление контактов, механические повреждения, попадание влаги в электронные компоненты и др.).

Самым надежным способом установления неисправностей системы впрыска являетсякомпьютерная диагностика. Данный вид диагностики основан на автоматическом фиксировании отклонений параметров системы от стандартных значений (т.н. режим самодиагностики). Выявленные несоответствия запоминаются и хранятся в памяти электронного блока управления в виде определенных кодов неисправностей. При проведении диагностики к диагностическому разъему подсоединяется специальное оборудование (сканер или персональный компьютер с программой и кабелем), которое считывает коды неисправностей. Помимо специального оборудования, проведение компьютерной диагностики предполагает наличие знаний и навыков.

Диагностика неисправностей системы впрыска может проводитьсяпо внешним признакам. Данный вид диагностики используется в тех случаях, когда компьютерная (техническая) диагностика недоступна, а также для проведения предварительной диагностики неисправностей.

При выполнении диагностических работ необходимо помнить, что непрофессиональное вмешательство в систему впрыска может привести к повреждению компонентов и значительно усложнить дальнейший ремонт.

Внешние признаки неисправностей системы впрыска можно разделить на следующие группы:

  1.  признаки при запуске двигателя (двигатель не запускается; затрудненный запуск двигателя; двигатель глохнет после запуска);
  2.  признаки на холостом ходу (неустойчивая работа двигателя на холостом ходу – нестабильные обороты, тряска, перебои);
  3.  признаки в движении автомобиля (перебои в работе двигателя при разгоне, постоянной частоте вращения коленчатого вала, торможении двигателем; снижение мощности двигателя; повышенный расход топлива).

Необходимо отметить, что перечисленные внешние признаки проявляются при возникновении неисправностей различных конструкций системы впрыска. Данные признаки также сопровождают неисправности топливной системынеисправности системы зажигания.

Внешние признаки и соответствующие им неисправности различных конструкций систем впрыска приведены на соответствующих страницах:

  1.  неисправности системы Mono-Jetronic;
  2.  неисправности системы K-Jetronic;
  3.  неисправности системы KE-Jetronic;
  4.  неисправности системы L-Jetronic.

Неисправности топливной системы

 

К неисправностям топливной системы относятся неисправности системы впрыска, а также неисправности других конструктивных элементов системы, в том числе:

  1.  снижение производительности топливного насоса (насос не создает рабочего давления);
  2.  засорение топливного фильтра;
  3.  засорение (деформация) сливного топливопровода;
  4.  негерметичность системы;
  5.  вода в топливе (топливном баке).

Самой серьезной неисправностью является негерметичность системы, которая помимо экономических потерь, создает угрозу пожарной безопасности автомобиля.

Основной причиной указанных неисправностей является нарушение правил эксплуатации автомобиля(применение некачественного бензина, отступление от технологии и периодичности обслуживания, механические повреждения, плохое соединение).

Неисправности топливной системы могут быть диагностированы по внешним признакам. Такими признаками являются перебои в работе двигателя (затрудненный пуск, неустойчивый холостой ход, снижение мощности) и повышенный расход топлива. Наличие запаха бензина в салоне автомобиля и за его пределами, а также соответствующие подтеки топлива свидетельствуют о негерметичности системы.

Определение неисправностей системы впрыска целесообразно проводить после диагностирования других элементов топливной системы.

Внешние признаки и соответствующие им неисправности топливной системы

Признаки

Неисправности

  1.  затрудненный пуск двигателя;
  2.  двигатель не развивает номинальной мощности

снижение 
производительности 
топливного насоса

  1.  перебои в работе двигателя на всех режимах (пуск, холостой ход, движение);
  2.  двигатель не развивает номинальной мощности

засорение топливного фильтра

  1.  повышенный расход топлива;
  2.  двигатель не развивает номинальной мощности;
  3.  затрудненный пуск двигателя;
  4.  неустойчивый холостой ход

засорение (деформация) 
сливного топливопровода

  1.  повышенный расход топлива;
  2.  запах бензина;
  3.  подтеки топлива;
  4.  двигатель не развивает номинальной мощности;
  5.  затрудненный пуск двигателя;
  6.  неустойчивый холостой ход

негерметичность системы

  1.  рывки при движении на низких оборотах

вода в топливе

(топливном баке)

Неисправности системы зажигания

 

На современных автомобилях устанавливаются различные системы зажигания: контактная, бесконтактная, электронная.

При эксплуатации возникают различные неисправности системы зажигания. Можно выделить следующие общие неисправности систем зажигания:

  1.  неисправности свечей зажигания;
  2.  неисправности катушки зажигания;
  3.  нарушение соединения в высоковольтной и низковольтной цепи (обрыв проводов, окисление контактов, неплотное соединение и др.).

Для электронной системы зажигания к данному списку можно добавить неисправности электронного блока управления и дефекты входных датчиков.

Бесконтактная система зажигания может иметь проблемы с транзисторным коммутатором, крышкой датчика-распределителя, центробежным и вакуумным регулятором опережения зажигания.

Основными причинами неисправностей системы зажигания являются:

  1.  нарушение правил эксплуатации (применение некачественного бензина, нарушение периодичности обслуживания и неквалифицированное его проведение);
  2.  использование некачественных конструктивных элементов системы (свечи, катушки зажигания, высоковольтные провода и др.);
  3.  воздействие внешних факторов (механические повреждения, атмосферные воздействия).

Самыми распространенными неисправностями системы зажигания являются дефекты свечей зажигания. В настоящее время, когда свечи зажигания стали доступны потребителю, данная неисправность легко устраняется и не доставляет больших проблем автомобилистам.

Позитивным является и тот факт, что значительное количество неисправностей системы зажигания ушли в прошлое вместе сконтактной системой зажигания и низким качеством ее элементов.

Неисправности системы зажигания могут быть диагностированы по внешним признакам. Необходимо отметить, что неисправности системы зажигания имеют общие внешние признаки снеисправностями топливной системы и неисправностями системы впрыска. Поэтому диагностика неисправностей данных систем должна проводиться в комплексе.

Внешними признаками неисправностей системы зажигания являются:

  1.  затрудненный запуск двигателя;
  2.  неустойчивая работа двигателя на холостом ходу;
  3.  снижение мощности двигателя;
  4.  повышенный расход топлива.

Внешние признаки и соответствующие им неисправности бесконтактной системы зажигания

Признаки

Неисправности

  1.  двигатель не 
    запускается или 
    запускается с трудом;
  2.  неустойчивая работа двигателя на холостом 
    ходу
  1.  обрыв (пробой) высоковольтных проводов;
  2.  неисправность свечей зажигания;
  3.  неисправность катушки зажигания;
  4.  пробой крышки датчика-распределителя;
  5.  неисправность транзисторного коммутатора;
  6.  неисправность датчика-распределителя
  1.  повышенный расход топлива;
  2.  снижение мощности двигателя
  1.  неисправность свечей зажигания;
  2.  неисправность центробежного регулятора опережения зажигания;
  3.  неисправность вакуумного регулятора опережения зажигания

 

Внешние признаки и соответствующие им неисправности электронной системы зажигания

Признаки

Неисправности

  1.  двигатель не запускается или запускается с трудом;
  2.  неустойчивая работа двигателя на холостом ходу
  1.  обрыв (пробой) высоковольтных проводов;
  2.  неисправность свечей зажигания;
  3.  неисправность катушки зажигания;
  4.  неисправность входных датчиков (датчика частоты вращения коленчатого вала, датчика холла);
  5.  неисправность электронного блока управления
  1.  повышенный расход топлива;
  2.  снижение мощности двигателя
  1.  неисправность свечей зажигания;
  2.  неисправность входных датчиков;
  3.  неисправность электронного блока управления

Неисправности системы смазки

 

Неисправностей системы смазки немного, но последствия от них могут быть самые серьезные. Различают следующие неисправности системы смазки:

  1.  износ или повреждение масляного насоса;
  2.  повреждение прокладки масляного насоса;
  3.  засорение масляного фильтра;
  4.  слабое закрепление масляного фильтра;
  5.  неисправность датчика давления масла;
  6.  заедание редукционного клапана;
  7.  низкий уровень масла.

Основные причины указанных неисправностей:

  1.  нарушение правил эксплуатации (использование некачественного масла нарушение периодичности замены масла и фильтра);
  2.  неквалифицированное выполнение работ по техническому обслуживанию и ремонту системы смазки;
  3.  предельный срок эксплуатации элементов системы.

Внешними признаками неисправностей системы смазки являются:

  1.  низкое давление масла;
  2.  повышенный расход масла.

О понижении давления масла сигнализирует соответствующая лампа на панели приборов автомобиля. При понижении давления масла дальнейшая эксплуатация автомобиля запрещена.

Повышенный расход масла определяется с помощью щупа по уровню масла в двигателе. На ряде автомобилей осуществляется электронный контроль уровня масла в двигателе (соответствующая контрольная лампа на панели приборов).

Внешние признаки и соответствующие им неисправности системы смазки

Признаки

Неисправности

низкое давление масла

  1.  износ или повреждение масляного насоса;
  2.  засорение масляного фильтра;
  3.  неисправность датчика давления масла;
  4.  заедание редукционного клапана;
  5.  низкий уровень масла

повышенный расход масла

  1.  повреждение прокладки масляного насоса;
  2.  слабое закрепление масляного фильтра;
  3.  неисправности кривошипно-шатунного механизма;
  4.  неисправности газораспределительного механизма;
  5.  засорение системы вентиляции картера

Неисправности системы охлаждения

 

При работе двигателя система охлаждения обеспечивает оптимальный температурный режим. Неисправности системы охлаждения приводят к нарушению температурного режима. Различают следующие неисправности системы охлаждения:

  1.  неисправности радиатора (засорение сердцевины, загрязнение наружной поверхности, нарушение герметичности);
  2.  неисправности центробежного насоса (ослабление привода, нарушение герметичности, износ);
  3.  неисправности термостата;
  4.  неисправности привода вентилятора (в зависимости от типа привода - ослабление механического привода, неисправность термореле или электродвигателя в электрическом приводе, низкое давление масла в гидравлическом приводе);
  5.  трещины в рубашке охлаждения головки блока или блоке цилиндров;
  6.  прогорание прокладки и коробление головки блока цилиндров; неисправности патрубков (нарушение герметичности крепления, механические повреждения, засорение);
  7.  неисправность датчика температуры;
  8.  неисправность указателя температуры;
  9.  низкий уровень охлаждающей жидкости.

Основными причинами неисправностей системы охлаждения являются:

  1.  нарушение правил эксплуатации двигателя (применение некачественной охлаждающей жидкости, нарушение периодичности ее замены);
  2.  применение некачественных комплектующих;
  3.  предельный срок службы элементов системы;
  4.  неквалифицированное проведение работ по техническому обслуживанию и ремонту системы.

Возникающие неисправности системы охлаждения могут послужить причинами более серьезных неисправностей. Так, загрязнение наружной поверхности радиатора приводит к увеличению температуры охлаждающей жидкости и дальнейшему перегреву двигателя. Это, в свою очередь, может привести к прогоранию прокладки и короблению головки блока цилиндров, а также появлению трещин.

Внешними признаками неисправностей системы охлаждения являются:

  1.  перегрев двигателя;
  2.  переохлаждения двигателя;
  3.  наружная утечка охлаждающей жидкости;
  4.  внутренняя утечка охлаждающей жидкости.

Для того, чтобы не пропустить зарождающуюся неисправность водитель должен систематически следить за показаниями указателя температуры на панели приборов. Многие автомобили вместе с указателем оснащены сигнальной лампой.

Наружные утечки сопровождаются появлением специфического запаха антифриза, а также подтеками под автомобилем и на двигателе.

Внутренние утечки охлаждающей жидкости не столь очевидны. О появлении внутренних утечек свидетельствует белый дым (испарение охлаждающей жидкости) из выпускной системы на прогретом двигателе. Правда, при прогреве двигателя и в холодное время года белый дым - нормальное явление.

Другим проявлением внутренней утечки является наличие охлаждающей жидкости в масле. Определяется путем осмотра масляного щупа. В результате соединения масла и охлаждающей жидкости образуется масляно-водная эмульсия – пена светлого цвета.

Необходимо отметить, что и наружные и внутренние утечки приводят к нарушению температурного режима и перегреву двигателя.

Внешние признаки и соответствующие им неисправности системы охлаждения

Признаки

Неисправности

перегрев двигателя

  1.  низкий уровень охлаждающей жидкости;
  2.  ослабление привода водяного насоса;
  3.  нарушение герметичности водяного насоса;
  4.  неисправности привода вентилятора;
  5.  неисправности термостата;
  6.  засорение сердцевины радиатора;
  7.  загрязнение наружной поверхности радиатора;
  8.  засорение патрубков

переохлаждения двигателя

  1.  неисправность термостата;
  2.  неисправность привода вентилятора;
  3.  неисправность указателя температуры;
  4.  неисправность датчика температуры

наружная утечка охлаждающей жидкости

  1.  нарушение герметичности крепления патрубков;
  2.  повреждение патрубков;
  3.  нарушение герметичности центробежного насоса;
  4.  нарушение герметичности радиатора;
  5.  трещины в рубашке охлаждения;
  6.  прогорание прокладки головки блока цилиндров

внутренняя утечка охлаждающей жидкости

  1.  трещины в рубашке охлаждения;
  2.  прогорание прокладки головки блока цилиндров

Неисправности выпускной системы

 

Выпускная система современного автомобиля эксплуатируется в тяжелых условиях, которые определяются высокой температурой отработавших газов, воздействием внешней агрессивной среды, уязвимостью конструктивных элементов. Поэтому, периодически возникают неисправности выпускной системы. В соответствии с конструкцией можно выделить следующие неисправности выпускной системы:

  1.  неисправности глушителя;
  2.  неисправности каталитического нейтрализатора;
  3.  неисправности кислородного датчика.

Неисправности глушителя

Различают следующие неисправности глушителя:

  1.  повреждение, коррозия или прогорание элементов глушителя;
  2.  повреждение подвески глушителя;
  3.  слабое соединение элементов системы.

Основными причинами неисправностей глушителя являются:

  1.  механические воздействия (наезд на препятствие);
  2.  воздействия внешней среды (влага, соль, конденсат);
  3.  предельный срок службы;
  4.  использование некачественных компонентов.

Определить неисправность глушителя достаточно просто, так как внешние ее проявления хорошо различимы. Рев, секущие звуки, утечка отработавших газов свидетельствуют о повреждении элементов глушителя, а также ненадежном их соединении. Дребезжащие, глухие звуки под днищем автомобиля сопровождают нарушение подвески глушителя.

Неисправности каталитического нейтрализатора

Каталитический нейтрализатор очень нежный элемент выпускной системы. При нормальных условиях эксплуатации нейтрализатор служит порядка 150 тыс. км пробега. При отклонении от правил «кончина» может произойти значительно быстрее. Неисправностями каталитического нейтрализатора являются:

  1.  оплавление, разрушение или загрязнение блока носителя;
  2.  повреждение, коррозия корпуса нейтрализатора.

Оплавление блока-носителя происходит тогда, когда часть топливно-воздушной смеси сгорает не в камерах двигателя, а в нейтрализаторе. Причин несколько: пропуски зажигания в одноименной системе, обогащение топливно-воздушной смеси и неполное ее сгорание при неисправности кислородного датчика, других датчиков системы управления двигателем, запуск автомобиля буксировкой.

Разрушение блока-носителя может произойти при механических воздействиях, а также при резком изменении температуры (например, при въезде в лужу).

Причинами загрязнения блока носителя являются:

  1.  применение этилированного бензина (отложение свинца на поверхности сот);
  2.  использование топлива с металлсодержащими присадками (например, ферроцен);
  3.  сгорание масла при работе двигателя (коксование сот продуктами сгорания масла)

Неисправности корпуса нейтрализатора появляются по тем же причинам, что и неисправности глушителя.

На современных автомобилях контроль состояния каталитического нейтрализатора осуществляет система самодиагностики. В этом ей помогают два кислородных датчика, устанавливаемых до и после каталитического нейтрализатора. При обнаружении отклонений от нормальной работы (отклонения в сигналах датчиков) загорается соответствующая сигнальная лампа на панели приборов, а в памяти электронного блока управления идентифицируется и сохраняется код неисправности.

Неисправности каталитического нейтрализатора создают дополнительные препятствия для отработавших газов, что в свою очередь сказывается на работе двигателя: потере мощности, неустойчивой работе, ухудшении динамики, повышении расхода топлива.

Косвенным признаком неисправности каталитического нейтрализатора может стать устойчивый систематический запах сероводорода («тухлых яиц») в салоне автомобиля.

Неисправный каталитический нейтрализатор не подлежит ремонту и восстановлению.

Неисправности кислородного датчика

Кислородный датчик наиболее уязвимый элемент выпускной системы и системы управления двигателем. При эксплуатации из строя может выйти как один из датчиков, так и оба одновременно, причем по разным причинам.

Неисправностями кислородного датчика являются:

  1.  неисправность нагревателя;
  2.  прогорание, загрязнение керамического наконечника;
  3.  окисление, нарушение контакта.

Причины указанных неисправностей, в основном, аналогичны каталитическому нейтрализатору: качество топлива, масло в отработавших газах, неисправности системы зажигания. Выйти из строя лямбда-зонд может по причине предельного срока службы (порядка 60-80 тыс. км пробега).

Контроль состояния кислородного датчика также осуществляет система самодиагностики. При обнаружении неисправности загорается сигнальная лампа на панели приборов.

Косвенные признаки неисправностей датчика – неустойчивая работа на малых оборотах, повышенный расход топлива и низкая динамика. При этом необходимо помнить, что данные внешние признаки сопровождают неисправности системы впрыска и неисправности системы зажигания.

Неисправности сцепления

 

При интенсивной эксплуатации автомобиля могут возникнуть различные неисправности сцепления. Различают неисправности собственно сцепления и неисправности привода сцепления. К неисправностям сцепления относятся:

  1.  износ и повреждения накладок ведомого диска;
  2.  деформация ведомого диска;
  3.  замасливание накладок ведомого диска;
  4.  износ шлицев ведомого диска;
  5.  износ или поломка демпферных пружин;
  6.  поломка или ослабление диафрагменной пружины;
  7.  износ или поломка подшипника выключения сцепления;
  8.  износ поверхности маховика;
  9.  износ поверхности нажимного диска;
  10.  заедание вилки выключения сцепления.

Привод сцепления в зависимости от вида может иметь следующие неисправности:

а) механический привод

  1.  заедание, удлинение или повреждение троса;
  2.  повреждение рычажной системы;

б) гидравлический привод

  1.  засорение гидропривода;
  2.  нарушение герметичности системы (подтекание рабочей жидкости, наличие воздуха в системе);
  3.  неисправность рабочего цилиндра (повреждение манжеты).

Износ и поломка конструктивных элементов сцепления происходят, в основном, из-за нарушения правил эксплуатации автомобиля: трогание с места на высоких оборотах, нога на педали сцепления во время движения.

Одной из причин поломки или износа может стать предельный срок эксплуатации элементов сцепления. В большей степени это касается ведомого диска сцепления, имеющего ограниченный ресурс. При соблюдении правил эксплуатации данный элемент исправно служит свыше 100 тыс.км пробега. У «гонщиков» сцепление редко доживает до 50 тыс.км.

Причиной поломки сцепления может стать и низкое качество комплектующих. При покупке запасных частей предпочтение следует отдавать оригинальным деталям.

Замасливание фрикционных накладок ведомого диска происходит при попадании на них масла вследствие износа или повреждения сальников двигателя или коробки передач.

Неисправности сцепления хорошо диагностируются по внешним признакам. Вместе с тем, один внешний признак может соответствовать нескольким неисправностям сцепления. Поэтому конкретные неисправности сцепления устанавливаются, как правило, при его разборке.

Внешними признаками неисправностей сцепления являются:

  1.  неполное выключение (сцепление «ведет»);
  2.  неполное включение (сцепление «буксует»);
  3.  рывки при работе сцепления;
  4.  вибрация при включении сцепления;
  5.  шум при выключении сцепления.

Неполное выключение сопровождается затрудненным включением передач на работающем двигателе, шумом, треском при переключении передач, увеличением свободного хода педали сцепления.

«Пробуксовка» сцепления характеризуется запахом от горения фрикционных накладок ведомого диска, недостаточной динамикой автомобиля, перегревом двигателя, повышенным расходом топлива.

Внешние признаки и соответствующие им неисправности сцепления

Признаки

Неисправности

сцепление «ведет»

  1.  деформация ведомого диска;
  2.  износ шлицев ведомого диска;
  3.  износ или повреждение накладок ведомого диска;
  4.  поломка или ослабление диафрагменной пружины;
  5.  неисправность рабочего цилиндра;
  6.  засорение гидропривода;
  7.  нарушение герметичности привода;
  8.  заедание, удлинение или повреждение троса;
  9.  повреждение рычажной системы

сцепление «буксует»

  1.  износ или повреждение накладок ведомого диска;
  2.  замасливание ведомого диска;
  3.  поломка или ослабление диафрагменной пружины;
  4.  износ рабочей поверхности маховика;
  5.  засорение гидропривода;
  6.  неисправность рабочего цилиндра;
  7.  заедание троса;
  8.  заедание вилки выключения сцепления

рывки при работе сцепления

  1.  износ или повреждение накладок ведомого диска;
  2.  замасливание ведомого диска;
  3.  заедание ступицы ведомого диска на шлицах;
  4.  деформация диафрагменной пружины;
  5.  износ или поломка демпферных пружин;
  6.  коробление нажимного диска;
  7.  ослабление опор крепления двигателя

вибрация при включении сцепления

  1.  износ шлицев ведомого диска;
  2.  деформация ведомого диска;
  3.  замасливание ведомого диска;
  4.  деформация диафрагменной пружины;
  5.  ослабление опор крепления двигателя

шум при выключении сцепления

  1.  износ или повреждение подшипника выключения сцепления


Неисправности коробки передач

 

В данной статье рассмотрены неисправности механической коробки передач. Неисправности автоматической коробки, роботизированной коробки и вариатора, будут освещены на других страницах.

Механическая коробка передач, устанавливаемая на современные легковые автомобили, имеет существенные различия в конструкции и, соответственно, индивидуальные неисправности. Вместе с тем, можно выделить общие неисправности механической коробки передач. Условно их можно разделить на неисправности собственно коробки передач и неисправности механизма переключения передач. К общим неисправностям коробки передач относятся:

  1.  износ муфт синхронизаторов;
  2.  износ шлицевого соединения муфт синхронизаторов;
  3.  износ шестерен;
  4.  пониженный уровень масла в коробке;
  5.  износ подшипников ведущего, ведомого, промежуточного валов;
  6.  ослабление резьбовых соединений крепления коробки передач;
  7.  износ сальников.

Неисправности механизма переключения передач включают:

  1.  ослабление крепления, заедание или повреждение троса (тяги) привода;
  2.  износ или повреждение штока переключения передач;
  3.  износ или деформация блокирующего устройства;
  4.  износ вилки переключения передач.

Основными причинами указанных неисправностей являются:

  1.  нарушение правил эксплуатации (использование некачественного масла, работа автомобиля с неисправным сцеплением);
  2.  низкое качество комплектующих;
  3.  предельный срок службы коробки передач;
  4.  неквалифицированное проведение работ по техническому обслуживанию и ремонту коробки передач.

Неисправности коробки передач можно установить по внешним признакам:

  1.  шум коробки передач;
  2.  затрудненное включение передач;
  3.  самопроизвольное выключение передач;
  4.  подтекание масла.

Шум в коробке передач может проявляться в разных условиях – в нейтральном положении, при включении передач, при работе коробки. Каждый из этих шумов свидетельствует об определенных неисправностях механической коробки передач.

При диагностировании необходимо помнить, что одному внешнему признаку может соответствовать несколько неисправностей коробки передач. Поэтому установление конкретной неисправности производится, как правило, при демонтаже и разборке коробки. Проведение дефектовки и ремонта коробки предполагает высокую квалификацию исполнителя.

Внешние признаки и соответствующие им неисправности механической коробки передач

Признаки

Неисправности

шум в нейтральном положении

  1.  износ подшипника ведущего вала;
  2.  низкий уровень масла в коробке

шум при включении передач

  1.  износ или деформация блокирующего устройства;
  2.  износ муфт синхронизаторов;
  3.  ослабление резьбовых соединений крепление коробки передач;
  4.  неполное выключение сцепления

шум при работе коробки

  1.  износ подшипников;
  2.  износ муфт синхронизаторов;
  3.  низкий уровень масла в коробке

затрудненное включение передач

  1.  износ муфт синхронизаторов;
  2.  износ шестерен;
  3.  низкий уровень масла в коробке;
  4.  износ или повреждение штока переключения;
  5.  ослабление крепления или повреждение троса (тяги) привода;
  6.  неполное выключение сцепления

самопроизвольное выключение передач

  1.  ослабление резьбовых соединений крепление коробки передач;
  2.  заедание троса (тяги) привода;
  3.  износ муфт синхронизаторов;
  4.  износ шлицевых соединений муфт синхронизаторов;
  5.  износ шестерен;
  6.  износ штока переключения;
  7.  износ вилки переключения;
  8.  износ подшипников ведомого (промежуточного) вала

подтекание масла

  1.  ослабление резьбовых соединений крепления коробки передач;
  2.  износ сальников


Неисправности подвески

Современные автопроизводители большое внимание уделяют надежности и комфортности подвески. В дополнение к этому, многие автомобили, ввозимые и реализуемые в нашей стране, оборудуются усиленной подвеской (увеличенный дорожный просвет, повышенная жесткость пружин). Но качество дорог сводит на нет эти усилия, а автомобилист периодически сталкивается снеисправностями подвески.

Различают следующие неисправности подвески:

  1.  нарушение углов установки передних колес (развал-схождение);
  2.  деформация рычагов подвески;
  3.  снижение жесткости (ослабление) или поломка пружины;
  4.  нарушение герметичности, износ или механические повреждения амортизатора;
  5.  повреждение опоры амортизатора;
  6.  износ втулок или повреждение стабилизатора поперечной устойчивости;
  7.  износ резинометаллических или шаровых элементов крепления подвески.

Основная причина указанных неисправностей, как указано выше, это качество дорожного покрытия. Вместе с тем, срок службы элементов подвески могут значительно сократить некачественные комплектующие, неквалифицированное проведение работ по обслуживанию и ремонту, а также стиль вождения автомобиля.

Неисправности подвески могут возникнуть неожиданно (например, при наезде на препятствие) или проявляться постепенно. Одни неисправности, если они не устранены своевременно, могут послужить причиной появления других, более серьезных неисправностей.

О возникновении неисправности подвески свидетельствуют различные косвенные признаки:

  1.  отклонение автомобиля от прямолинейного движения (увод в сторону);
  2.  колебания (раскачивание) автомобиля при поворотах и торможении;
  3.  вибрация при движении;
  4.  стуки в подвеске во время движения;
  5.  «пробой» подвески;
  6.  повышенный или неравномерный износ шин.

При определении неисправностей подвески необходимо учитывать, что указанные внешние признаки сопровождают также инеисправности рулевого управления. Установление конкретной неисправности подвески производится, как правило, при детальном осмотре, тестировании и дефектовке элементов подвески.

Ряд перечисленных внешних признаков проявляются приотклонении рабочих характеристик колес автомобиля (давления в шинах, балансировки, степени износа шины, степени износа ступичного подшипника). Так, по причине низкого давления в шинах автомобиль уводит в сторону, наблюдается вибрация в движении. Нарушение балансировки колес также сопровождается вибрацией, а иногда и стуками в подвеске. Поэтому при диагностике неисправностей подвески вопросы, связанные с отклонением характеристик колес, нужно исключить в первую очередь.

Эксплуатация автомобиля с неисправной подвеской не рекомендуется, т.к. это может привести к аварии.

Внешние признаки и соответствующие им неисправности подвески

Признаки

Неисправности

увод в сторону при движении

  1.  нарушение угла установки передних колес;
  2.  деформация рычага подвески;
  3.  снижение жесткости пружины;
  4.  повреждение верхней опоры амортизатора;
  5.  повреждение стабилизатора поперечной устойчивости

раскачивание при поворотах и торможении

  1.  неисправности амортизатора;
  2.  износ втулок или повреждение стабилизатора поперечной устойчивости

вибрация в движении

  1.  нарушение угла установки передних колес;
  2.  износ амортизатора

стуки в движении

  1.  поломка пружины;
  2.  неисправности амортизатора;
  3.  износ резинометаллических или шаровых элементов крепления подвески

«пробой» подвески

  1.  деформация рычага подвески;
  2.  снижение жесткости пружины;
  3.  неисправности амортизатора;
  4.  износ резинометаллических или шаровых элементов крепления подвески

повышенный или неравномерный износ шин

  1.  нарушение угла установки передних колес;
  2.  деформация рычага подвески;
  3.  износ резинометаллических или шаровых элементов крепления подвески

Неисправности рулевого управления

 

Неисправности рулевого управления вместе с неисправностями тормозной системы являются самыми серьезными неисправностями автомобиля. С широким применением на современных легковых автомобилях реечного рулевого механизма перечень неисправностейрулевого управления значительно сократился.

К неисправностям рулевого управления относятся:

  1.  износ передающей пары («шестерня-рейка»);
  2.  нарушение герметичности рулевого механизма;
  3.  износ или разрушение подшипника рулевого вала;
  4.  износ шарнира наконечника рулевой тяги.

Самой распространенной неисправностью рулевого управления является износ шарового шарнира наконечника рулевой тяги.

Отдельно необходимо остановиться нанеисправностях усилителя рулевого управления. Различают следующие неисправностигидроусилителя руля:

  1.  износ подшипника вала насоса;
  2.  пробуксовка ремня привода насоса;
  3.  низкий уровень рабочей жидкости в бачке;
  4.  засорение элементов привода (фильтрующего элемента, клапана насоса и др.);
  5.  ослабление крепления или повреждение шлангов.

Основными причинами неисправностей рулевого управления являются:

  1.  низкое качество дорог;
  2.  нарушение правил эксплуатации (изменение периодичности обслуживания, применение некачественной рабочей жидкости и комплектующих);
  3.  неквалифицированное проведение работ по техническому обслуживанию и ремонту системы;
  4.  предельный срок службы системы.

Причиной неисправностей рулевого управления могут также стать различные отклонения от рабочих характеристик колес(давление в шинах, балансировка, степень износа шин, износ ступичного подшипника).

О наступающей неисправности рулевого управления свидетельствуют, как правило, различные внешние признаки, основными из которых являются:

  1.  стуки в рулевом управлении;
  2.  биение на рулевом колесе;
  3.  увеличенный люфт рулевого колеса;
  4.  тугое вращение рулевого колеса;
  5.  шум в усилителе рулевого управления;
  6.  подтекание рабочей жидкости.

К сведению, люфтом называется холостое движение рулевого колеса, т.е. движение, при котором поворот не производится.

Несколько слов о подтекании рабочей жидкости. Подтекание рабочей жидкости в элементах рулевого управления происходит не так явно, как при неисправностях системы охлаждения – лужу под автомобилем вы не увидите. Установить подтекание можно при детальном осмотре системы, при этом неисправный элемент выглядит влажным, специалисты еще говорят – запотевшим.

Внешние признаки и соответствующие им неисправности рулевого управления

Признаки

Неисправности

стуки в рулевом управлении

  1.  износ шарнира наконечника рулевой тяги;
  2.  ослабление крепления шаровой опоры

биение на рулевом колесе

  1.  износ шарнира наконечника рулевой тяги;
  2.  износ или разрушение подшипника рулевого вала;
  3.  отклонения от рабочих характеристик колеса

увеличенный люфт рулевого колеса

  1.  износ шарнира наконечника рулевой тяги;
  2.  износ передающей пары;
  3.  износ подшипника рулевого вала

тугое вращение рулевого колеса

  1.  нарушение угла установки колес;
  2.  пробуксовка ремня привода;
  3.  низкий уровень рабочей жидкости;
  4.  засорение элементов привода

шум в усилителе рулевого управления

  1.  износ подшипника вала насоса;
  2.  пробуксовка ремня привода;
  3.  низкий уровень рабочей жидкости

подтекание рабочей жидкости

  1.  нарушение герметичности рулевого механизма (износ пыльника рулевой тяги);
  2.  ослабление крепления или повреждение шлангов


Неисправности тормозной системы

 

Тормозная система требуем к себе самого пристального внимания. Эксплуатация автомобиля с неисправной тормозной системой запрещается. Поэтому каждый автомобилист должен знать основныенеисправности тормозной системы и определить их по внешним признакам. В данной статье рассмотрены основные неисправностигидравлической рабочей тормозной системы легкового автомобиля.

В соответствии с конструкцией тормозной системы неисправности условно можно разделить на неисправности тормозного механизма, неисправности тормозного привода и неисправности усилителя тормозов.

Различают следующиенеисправности дискового тормозного механизма:

  1.  износ, повреждение или загрязнение (замасливание) тормозных колодок;
  2.  износ, деформация, задиры на поверхности тормозных дисков;
  3.  ослабление крепления, деформация суппорта.

Основные неисправности тормозного привода включают:

  1.  заедание поршня рабочего цилиндра;
  2.  утечка тормозной жидкости в рабочем цилиндре;
  3.  заедание поршня главного цилиндра;
  4.  утечка тормозной жидкости в главном цилиндре;
  5.  повреждение или засорение шлангов, трубопроводов;
  6.  подсос воздуха в системе вследствие ослабления крепления.

Вакуумный усилитель тормозов может иметь следующиенеисправности:

  1.  недостаточное разряжение во впускном коллекторе;
  2.  повреждение вакуумного шланга;
  3.  неисправность следящего клапана усилителя.

Все перечисленные неисправности тормозной системы в большей или меньшей степени снижают эффективность торможенияавтомобиля, поэтому представляют опасность для всех участников движения.

Причинами неисправностей тормозной системы являются:

  1.  нарушение правил эксплуатации тормозной системы (нарушение периодичности обслуживания, применение некачественной тормозной жидкости);
  2.  низкое качество комплектующих;
  3.  предельный срок службы элементов системы;
  4.  воздействие различных внешних факторов.

О наступлении неисправности тормозной системы свидетельствуют различные отклонения от нормальной работы, т.н. внешние признаки неисправностей, к которым относятся:

  1.  отклонение от прямолинейного движения при торможении;
  2.  большой ход педали тормоза;
  3.  скрежетание при торможении;
  4.  визг, свист при торможении;
  5.  снижение усилия на педали при торможении;
  6.  повышение усилия на педали при торможении;
  7.  вибрация педали при торможении (не путать с пульсацией педали при работе системы ABS);
  8.  низкий уровень тормозной жидкости в бачке.

Для облегчения контроля состояния тормозной системы в конструкции автомобиля используются различные датчики. Результаты измерений датчиками параметров системы выводятся в виде сигналов соответствующих ламп на приборной панели, показаний бортового компьютера. На современном автомобиле применяются следующие сигнальные лампы тормозной системы:

  1.  низкого уровня тормозной жидкости;
  2.  износа тормозных колодок;
  3.  неисправности системы ABS;
  4.  неисправности системы ESP (ASR).

Для установления конкретных неисправностей систем активной безопасности применяется компьютерная диагностика автомобиля.

Внешние признаки и соответствующие им неисправности тормозной системы

Признаки

Неисправности

отклонение от прямолинейного движения при торможении

  1.  повреждение или загрязнение тормозных колодок с одной стороны;
  2.  деформация, задиры на поверхности тормозного диска;
  3.  ослабление крепления, деформация суппорта;
  4.  заедание поршня рабочего цилиндра;
  5.  утечка тормозной жидкости в рабочем цилиндре;
  6.  овреждение или засорение шлангов, трубопроводов;
  7.  неисправности подвески

большой ход педали тормоза

  1.  подсос воздуха в системе;
  2.  износ тормозных колодок

скрежетание при торможении

  1.  предельный износ тормозных колодок;
  2.  попадание постороннего предмета между колодкой и диском

визг, свист при торможении

  1.  износ или загрязнение тормозных колодок;
  2.  задиры на поверхности тормозного диска

снижение усилия на педали при торможении

  1.  подсос воздуха в системе;
  2.  повреждение или деформация шлангов, трубопроводов;
  3.  утечка тормозной жидкости в главном цилиндре

повышение усилия на педали при торможении

  1.  неисправности вакуумного усилителя тормозов;
  2.  износ или загрязнение тормозных колодок;
  3.  заедание поршня рабочего цилиндра

вибрация педали при торможении

  1.  износ или деформация тормозного диска;
  2.  ослабление крепления суппорта;
  3.  износ ступичных подшипников колес

низкий уровень тормозной жидкости в бачке

  1.  утечка тормозной жидкости в главном или рабочих цилиндрах;
  2.  повреждение шлангов, трубопроводов;
  3.  износ тормозных колодок

Неисправности электрооборудования автомобиля

 

Перечень неисправностей электрооборудования автомобилядостаточно широк. Условно их можно разделить на неисправности источников тока и неисправности потребителей тока. В данной статье рассмотрены неисправности источников тока.

Как известно, источниками тока в автомобиле являются аккумуляторная батарея и генератор. Неисправность каждого из источников тока может в любой момент обездвижить автомобиль. И если вы не хотите возвращаться домой на «галстуке» или эвакуаторе, техническому состоянию аккумуляторной батареи и генератора необходимо уделять внимание.

В системе электрооборудования автомобиля аккумуляторная батарея и генератор работают в тандеме. Выход из строя одного, приводит к неисправности другого. К примеру, неисправности аккумулятора приводят к увеличению тока зарядки генератора. Работа генератора в таком режиме может стать причиной неисправности выпрямительного блока (диодного моста). С другой стороны, неисправность регулятора напряжения генератора сопровождается увеличением зарядного тока, что, в свою очередь, приводит к систематической перезарядке аккумулятора и «выкипанию» электролита.

Неисправности аккумуляторной батареи

К неисправностям аккумуляторной батареи относятся:

  1.  короткое замыкание между электродами батареи;
  2.  повреждение пластин аккумулятора;
  3.  трещины в корпусе аккумулятора;
  4.  окисление клемм аккумулятора.

Основные причины указанных неисправностей:

  1.  нарушение правил эксплуатации;
  2.  предельный срок службы;
  3.  производственные дефекты.

Нарушениями правил эксплуатации аккумуляторных батарей являются:

  1.  работа с неисправным генератором (приводит к перезаряду или разряжению батареи);
  2.  слабый контакт на клеммах батареи (приводит к окислению и разрушению контактов);
  3.  частые запуски двигателя или длительная работа стартера (приводит к глубокому разряду аккумулятора);
  4.  слабое крепление аккумулятора в двигательном отсеке (приводит к механическим повреждениям аккумулятора и проводов).

Аккумуляторная батарея может эффективно эксплуатироваться определенное время. Средний срок службы батареи составляет 3-4 года. При интенсивной эксплуатации, а также эксплуатации в суровых климатических условиях срок службы значительно сокращается.

Современные аккумуляторные батареи выпускаются малообслуживаемыми и необслуживаемыми. Степень обслуживания аккумуляторной батареи определяется скоростью испарения воды из электролита. У необслуживаемой батареи критический уровень электролита достигается значительно позже окончания срока службы.

При эксплуатации аккумуляторных батарей приходится сталкиваться с производственными дефектами. Неисправная батарея без проблем заменяется по гарантии фирмой-продавцом или производителем.

Последствие у всех неисправностей одно – аккумуляторная батарея перестает выполнять возложенную на нее функцию – крутить стартер при запуске и обеспечивать потребителей током на стоянке. В данном случае необходимо определить требуется ли замена аккумулятора или источник тока еще может послужить.

При эксплуатации аккумуляторной батареи необходимо помнить, что повышенный разряд при отрицательных температурах окружающего воздуха может привести к замерзанию электролита и разрушению корпуса батареи.

Неисправности генератора

Конструкция генератора сложнее, чем аккумуляторной батареи. Поэтому и неисправностей у данного устройства больше:

  1.  износ токосъемных щеток;
  2.  повреждение регулятора напряжения;
  3.  повреждение выпрямителя (диодного моста);
  4.  износ коллектора (токосъемных колец);
  5.  износ или разрушение подшипника;
  6.  износ или повреждение шкива;
  7.  замыкание витков статорной обмотки;
  8.  повреждение проводов зарядной цепи.

Основные причины указанных неисправностей:

  1.  нарушение правил эксплуатации (длительная работа под большой нагрузкой, нарушение полярности при подключении аккумулятора, слабое натяжение ремня генератора);
  2.  низкое качество комплектующих;
  3.  воздействие внешних факторов (влага, соль, высокая температура, грязь);
  4.  предельный срок службы.

Износ или разрушение подшипника сопровождается повышенным шумом при работе генератора. Остальные неисправности генератора диагностируются по низкой величине зарядного тока. Об этом свидетельствует сигнальная лампа на панели приборов, которая при неисправностях периодически или постоянно горит.

Неисправности системы отопления и кондиционирования

 

Неисправности системы отопления и кондиционирования, как говориться, на скорость не влияют, но неприятности автомобилисту принести могут. Особенно это становиться актуальным в холодное время года.

Большинство неисправностей системы отопления и кондиционирования обусловлены неисправностями системы управления. Другая категория неисправностей связана с последствиями длительной эксплуатацией системы и представлена коррозией конструктивных элементов - конденсатора, испарителя, трубок.

Условно неисправности системы управления климатом можно разделить на неисправности датчиков, неисправности электронного блока управления и неисправности исполнительных устройств.

Входные датчики системы отопления и кондиционирования (климат-контроля) могут иметь следующие неисправности:

  1.  обрыв в цепи датчика;
  2.  замыкание в цепи датчика.

К неисправностям электронного блока управления относятся повреждения собственно блока, а также неисправности выключателей на приборной панели.

Неисправности исполнительных устройств включают:

  1.  повреждения привода заслонки;
  2.  повреждение заслонки;
  3.  заклинивание заслонки;
  4.  неисправности электродвигателя вентилятора.

О возникновении неисправности свидетельствуют отклонения в работе системы – нарушение температурного режима в салоне автомобиля, невозможность регулирования потоков воздуха, отсутствие звука работающего электродвигателя вентилятора. Вместе с тем, конкретную неисправность определить по внешним признакам достаточно сложно.

Неисправности системы вентиляции и кондиционирования определяются с помощью компьютерной диагностики. Возникающие неисправности фиксируются и сохраняются в памяти электронного блока управления в виде определенных кодов. Для считывания кодов неисправностей применяются специальные приборы, которые для разных моделей автомобиля различаются.

На некоторых моделях автомобилей считывание неисправностей производится без использования дополнительных устройств. Вся необходимая информация выводится на приборную панель.




1. В Степанова А В
2. Курсовая работа- Формирование культурногигиенических навыков у дошкольников
3. Редьярд Джозеф Киплинг Вторая книга джунглей
4. ...введи нас во искушении
5. реферат дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата мистецтвознавства Київ
6. Ответственность за неисполнение денежных обязательст
7. Тематическая структура Абсолютные и относительные величины Выявление взаимосвязейфакторный анализ Ин
8. Отдельные виды обязательств
9. Цели регенеративной медицины Терапия стволовыми клетками
10. Предыстория и социальнофилософские предпосылки социологии4 1
11. Арабо-израильский конфликт в 2007-2008 гг
12. Курсовая работа Тенденції та проблеми розвитку електронного бізнесу в Україні
13. Способы обеспечения исполнения налогового обязательства
14. Эксплуатационные расходы на железнодорожном транспорте
15. генезис і процес розвитку науки у мин
16. оперчасть ИТУ. Автозак специально оборудованный автомобиль для перевозки людей содержащихся под стр.
17.  Понятие и виды причастности к преступлению
18. а ПРЕОБРАЗОВАНИЕ РАСТРОВЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ В ВЕКТОРНЫЕ
19.  2012 г Техническое обслуживание автомобилей
20. кодекса морали свода правил которыми руководствуются представители определенных профессий