Как движется автомобиль

Многие из нас видели изображение улицы прошлого века с экипажем без лошадей на мостовой. Так выглядели «самобеглые коляски» русских изобретателей Шамшуренкова и Кулибина. Человек, стоявший на педалях, приводил их в движение, передавая свою механическую энергию на ведущие колеса. Этот же принцип вдохновил создателей другого «самодвижущегося экипажа», появившегося позже, — автомобиля. Однако источником энергии в автомобиле стал двигатель внутреннего сгорания. Как же он приводит машину в движение?

Где толкающая сила?

Рычаг — помощник в движении

Как автомобиль приводится в движение, если его не толкают, как тележку, и не тянет лошадь? Чтобы понять это, рассмотрим способ передвижения тележки с помощью рычага. Для устойчивости нижнего конца рычага можно забить в землю клин.

Первый вариант — толкать тележку непосредственно рычагом. Она сдвинется, даже если рычаг воздействует на ось колеса, при этом плечо, на которое действует рука, будет вдвое больше. Работу можно облегчить, если придавить рычаг с такой силой, чтобы его нижний конец не проскальзывал по дороге. Останется лишь переставлять рычаг.

А если приложить силу к верхней части колеса по касательной к его окружности? Тогда выделенную на рисунке полоску можно рассматривать как рычаг. Вес машины прижимает ведущее колесо к дороге, оно не пробуксовывает, и нижний конец нашего «рычага», как бы удерживаемый колышком, заставляет ось колеса перемещаться под действием силы F.

Когда ось продвинется вперед, колесо провернется, и точка 1 уже не будет соприкасаться с дорогой. Ее заменит точка 2, затем точка 3 и так далее. Таким образом, колесо можно представить как бесконечный ряд рычагов, которые последовательно сменяют друг друга. Колесо удобнее рычага — ничего переставлять не нужно. Способ перекатывания повозки за обод колеса используют, чтобы помочь лошади. Аналогично поступают артиллеристы, выкатывая орудия вручную: это легче, так как усилие на оси получается вдвое больше, чем при толкании за станину.

Однако лучше не толкать и не тянуть колесо, а вращать его. Можно ли найти способ, чтобы не перехватывать обод колеса, а передавать на него вращающее усилие? Да, для этого нужно подвести к колесу крутящий момент. Крутящий момент заставляет колесо провернуться, но этому препятствует трение между колесом и дорогой. Колесо как бы отталкивается от земли и начинает катиться. Здесь главное — трение, без которого движение невозможно. Автомобиль на льду становится беспомощным, потому что трение отсутствует.

Разные дороги и разные силы

Все — «против»

Тележка легко катится по асфальту. Но стоит колесам попасть на мягкий грунт или песок, как толкать ее становится труднее. Почему? Возросла сила, известная в теории автомобиля как сила сопротивления качению.

Если на пути встретится подъем, добавится сила, стремящаяся удержать тележку. А встречный ветер? Любой знает, как тяжело двигаться, когда он сильный. Но на скорости автомобиль сам создает себе встречный поток воздуха, и чем выше скорость, тем сильнее сопротивление.

При разгоне тележку приходится толкать сильнее, чем при равномерном движении. Это связано с преодолением инерции.

Итак, на хорошей горизонтальной дороге автомобиль движется равномерно благодаря умеренной толкающей силе, которая нужна лишь для преодоления трения и сопротивления воздуха.

Но чтобы тронуться с места, требуется самая большая сила. Для ускорения движения нужно преодолеть инерцию, что также требует увеличения силы. Если съехать на плохую дорогу или подниматься в гору, толкающая сила должна значительно возрасти. В зависимости от условий движения она может меняться в несколько раз. Соответственно, должен меняться и крутящий момент, подводимый к колесам.

Чтобы автомобиль мог двигаться по разным дорогам и с разной скоростью, нужно иметь возможность регулировать крутящий момент на колесах в широких пределах.

Упрямый характер

От двигателя — и колесам

Скорость вращения коленчатого вала двигателя внутреннего сгорания может изменяться примерно от пятисот, когда он работает на «холостом ходу», до нескольких тысяч оборотов в минуту. Казалось бы, можно двигаться с различной скоростью, даже если мотор непосредственно соединить с колесами: быстрее вращается вал двигателя — и, пожалуйста, с большей скоростью идет машина.

 

 

 

У бензинового «характер» хуже

Но вот дорога пошла в гору, и сразу автомобильный двигатель показывает свой «характер». Он значительно снижает обороты (труднее стало тянуть), но крутящий момент увеличивается недостаточно: на десять процентов, на тридцать, самое большое — на пятьдесят. У дизельных двигателей такая «приспособляемость» еще хуже. Давайте взглянем на график. Он показывает, как меняется величина крутящего момента бензинового автомобильного двигателя. Видно и самое худшее: с какого-то числа оборотов (в этом месте поставлена галочка) крутящий момент непрерывно уменьшается.
Действительно, при снижении числа оборотов с 4500 до 3000 крутящий момент возрос с 7 до 9 кгм. Но если подъем, допустим, потребовал большего, двигатель внутреннего сгорания не может справиться с этой задачей: необходимо увеличение момента, а он начинает уменьшаться, скорость движения резко падает — обороты двигателя идут на убыль... крутящий момент становится еще меньше...
В том же диапазоне чисел оборотов современного тягового электродвигателя крутящий момент увеличивается примерно в четыре раза.
В этом отношении для автомобиля больше подошли бы двигатели паровые или электромоторы, как бы отвечающие золотому правилу механики: при большой нагрузке они сбавляют обороты, а тянут сильнее. Но двигатель плюс котельная установка слишком громоздки для автомобиля, а возить на нем электростанцию просто невозможно. Двигатель же внутреннего сгорания обладает пока многими другими преимуществами. А на его «дурной характер» можно найти управу.

Выход есть!

Можно и быстро и медленно

Силы человека, работавшего на педалях «самобеглой» коляски, хватало на движение по ровной дороге. А на подъеме? Для его преодоления между «двигателем» и ведущими колесами был помещен специальный зубчатый барабан. Он позволял увеличить крутящий момент, подводимый к колесам, за счет скорости их вращения, — а следовательно, и скорости движения коляски. Крутящий момент увеличивался, когда ведущая шестерня соединялась с рядом зубьев барабана, расположенных дальше от оси (наибольшее плечо) и, наоборот, — уменьшался при укорочении плеча.
Так же меняется величина крутящего момента и в шестеренчатой передаче, распространенной в современной технике.

 

 

 

 

Это делает коробка передач

И вперед и назад

Менять величину крутящего момента двигателя может механизм, в котором будет несколько пар зацепленных одна с другой шестерен, — допустим, три — с различными передаточными числами: 1:4; 1:2 и 1:1. Первые два позволяют увеличить крутящий момент (толкающую силу) в четыре или в два раза.
Схема такого механизма — коробки передач — показана на рисунке. В общем корпусе находятся три пары шестерен с разными передаточными числами. Шестерни ведомого вала, через который вращение передается к колесам, могут передвигаться вдоль него, все время вращаясь с ним. Действуя рычагом переключения, водитель может соединить любую пару и двигаться на любой из трех передач. Это первая услуга коробки.
Вторая услуга. На рисунке коробка показана в положении «включена первая передача». Если расцепить и эту пару — вращение от двигателя к колесам передаваться не будет. Такое положение называется нейтральным.
При нейтральном положении двигатель не соединен с колесами, и поэтому его легко пустить, прогреть, не надо выключать при остановке перед светофором и т. п.
Третья услуга. Даже мотоцикл случается подать назад. Автомобилю — это просто необходимо. Надо и развернуться и встать под погрузку, подъехать к прицепу...
В общем, ведущие колеса должны вращаться и назад. А двигатель? Его коленчатый вал вращается только в одну сторону. Значит, коробка должна иметь передачу заднего хода. Между ведущим и ведомым валами в зацепление вводится «лишняя» шестерня или две на общей оси, как показано на рисунке. Она и меняет направление вращения ведомого вала.

Чтобы трогаться плавно

Вот теперь плавно!

Просто соединить шестерни первой передачи не удастся — одна вращается, другая неподвижна. А если включить передачу принудительно — машина «прыгнет» вперед или заглохнет двигатель, да и для зубьев шестерен это небезопасно.
Избавиться от таких неприятностей и плавно тронуться с места позволяет особый механизм — «сцепление», которое располагают между двигателем и коробкой. Оно имеет два положения: сцепление включено — крутящий момент передается на коробку; сцепление выключено — она отсоединена от двигателя.
Для передачи вращения здесь используется сила трения между маховиком и ведомым диском. Расположенные по окружности пружины прижимают диск к маховику, и он вращается вместе с ним — сцепление включено. В таком положении оно находится при движении автомобиля. Пружины обеспечивают такую силу трения, которая необходима для передачи крутящего момента двигателя, без пробуксовки между маховиком и ведомым диском.
Когда водитель нажмет ногой на левую педаль (так принято на автомобилях всего мира), диск, преодолевая усилие пружин, отходит от маховика. Мы говорим: сцепление выключено. Передача крутящего момента от двигателя прекращается, хотя его коленчатый вал и маховик продолжают вращаться.
В таком положении — педаль нажата — водитель включает передачу и, плавно отпуская педаль, постепенно приближает ведомый диск к гладкой поверхности маховика. В это время общая сила давления пружин все увеличивается и сила трения возрастает. Маховик постепенно, плавно увлекает диск, который со все уменьшающимся проскальзыванием начинает вращаться, и... машина плавно трогается. Успех этого процесса зависит от искусства водителя, поначалу частенько он проходит не совсем гладко.
Когда нужно переключить передачу — «перейти», например, при разгоне с первой на вторую или со второй на третью — водитель каждый раз нажимает на педаль сцепления.