100 великих изобретений
Шрифт:
Остановимся коротко на устройстве каждого из этих приспособлений. О работе бензинового двигателя и запального зажигания рассказывалось в одной из предыдущих глав. Электрическое зажигание, постепенно вытеснившее запальное, применялось уже на многих ранних моделях автомобилей. Источником тока здесь служили батарея или аккумулятор. Иногда искра получалась с помощью магнитоэлектрической машины (магнето). Цель системы зажигания состояла в том, чтобы в каждом цилиндре двигателя в момент наибольшего сжатия поршнем взрывчатой смеси проскакивала электрическая искра, воспламеняющая газ. Для того чтобы воспламенение сильно сжатой смеси происходило бесперебойно, ток для получения искры должен был составлять порядка 15 тысяч вольт. Поначалу прибор для зажигания состоял из двух частей источника тока и катушки Румкорфа. Особую роль в системе автомобильного зажигания играет прерыватель тока. Так как искра должна проскакивать в цилиндре в точно установленный момент, прерыватель помещается на распределительном валу двигателя таким образом, что сам двигатель управляет своим зажиганием. Известно, что первые автомобилисты имели много причин жаловаться на электрическое зажигание: оно долго оставалось капризным и ненадежным. Огромный шаг вперед был сделан с изобретением магнето, которое стало устанавливаться на автомобилях с 1902 года. В этой конструкции нашли исключительно надежный источник тока. В основе действия магнето лежал уже описанный принцип электромагнитной индукции. На валу, вращаемом двигателем, устанавливалась индукционная катушка, которая крутилась между полюсами постоянного магнита. На якоре катушки помещалась обмотка из толстой проволоки, а поверх нее — обмотка из тонкой проволоки. В силу электромагнитной индукции в этой вторичной обмотке индуцировался ток высокого напряжения. Концы катушки проводились в цилиндр и замыкались на электрическую свечу. Дважды за один оборот, проходя через максимумы тока, магнето давало разряд искры.
Так в общих чертах осуществлялась работа двигателя. Теперь о том, как происходила передача движения. При запуске двигателя рабочее усилие возникало в нем не мгновенно. Поэтому в момент запуска двигатель должен был отсоединяться от коробки передач, то есть работать вхолостую (в первых автомобилях это было особенно важно, так как запуск производился вручную, при помощи вращения специальной пусковой рукоятки; понятно, что человеку было не под силу это сделать, если бы двигатель находился под нагрузкой). Кроме того, отсоединять двигатель от нагрузки совершенно необходимо при переключении скоростей. Это разъединение происходило (и происходит) посредством механизма сцепления. В первые годы существования автомобиля сцепление и расцепление двигателя производили путем перемещения приводного ремня с рабочего шкива на шкив холостого хода (подробнее об устройстве такого сцепления будет сказано немного ниже). Но уже в последние годы XIX века ему на смену пришло более совершенное сцепление с помощью усеченного конуса. Для этого рабочий вал двигателя и приемный вал снабжались конусами, так что один конус входил в другой, причем меньший конус заклинивался в большем, соединяясь с ним в одно целое. Специальная пружина постоянно толкала внутренний конус в маховик, образующий наружный конус, чем и достигалось прочное сцепление. Чтобы прервать это сцепление, достаточно было нажать на специальную педаль. Приложенное при этом усилие приводило к рассоединению.
За сцеплением находилась коробка передач (или скоростей). Для чего она нужна? Бывают случаи, когда простого увеличения подачи газа недостаточно для того, чтобы автомобиль преодолел какое-либо препятствие (например, подъем или просто плохую дорогу). Коробка передач (скоростей) как раз и служила для более кардинальной регулировки усилий двигателя. Назначение ее состоит в том, чтобы, не изменяя скорости вращения вала двигателя, менять скорость вращения передаточного вала (и, следовательно, ведущих колес). Первые автомобили имели только две передачи и осуществляли их при помощи ремней. Однако ременная передача недолго удержалась на практике. Понемногу пришли к выводу, что удовлетворительно разрешить проблему перемены скоростей можно лишь с помощью совокупности шестерней, которые могут дать три или четыре скорости для переднего хода и одну для заднего. Впервые такие коробки передач стали устанавливать на автомобилях фирмы «Панар и Левассор» в начале 90-х годов XIX века. Рассмотрим действие этой еще очень простой по своему устройству коробки передач. Если бы не было коробки передач, то с рабочего вала мотора M усилие передавалось бы на вал P, а с него, при помощи конической зубчатой передачи, на зубчатку Q дифференциала, вращающую колесо R. В этом случае зубчатка Q совершала бы в минуту столько же оборотов, сколько совершает их рабочий вал мотора. Но тогда, когда между мотором и колесом помещается коробка передач, рабочий вал как бы разрезается на две части. При этом первичный вал P принимает движение с мотора, а вторичный вал S передает его на заднюю ось. Оба вала связываются между собой системой зубчатых колес (шестерен). Шестерни a и b на валу S закреплены неподвижно, а шестерни A и B на валу P надеты на подвижную каретку, которая может перемещаться с помощью рычага переключения передач. Допустим, водитель перемещает каретку AB так, чтобы шестерня A произвела зацепление с зубцами шестерни a. Что мы получим? Если мотор делает 1200 оборотов в минуту и если диаметр A равен 10 см, а диаметр a равен 20 см, то вал P будет делать 1200 об/мин, а вал S — вдвое меньше, то есть всего лишь 600. В этом случае, если окружность конической шестерни вчетверо меньше зубчатки Q, рабочие колеса будут делать всего 150 об/мин. Допустим, каретку передвигают так, что B зацепляется за b. Если диаметр B равен 8 см, а диаметр b — 12 см, то скорость вала S будет составлять 800 об/мин, а колеса будут делать 200 об/мин. Подобные же рассуждения приложимы еще к двум сочетаниям шестерен A-b и B-a, и таким образом мы получим весьма простое объяснение действия четырехскоростной коробки передач.
Далее следует кардан. Уже перед первыми изобретателями встала проблема передачи движения от мотора к колесам. Дело в том, что эта передача не может быть жесткой. В самом деле, двигатель прочно соединен с рамой, но рама соединена с колесами не жестко, а с помощью системы рессор. Так как автомобиль подскакивает на неровностях, то рабочий вал двигателя и задняя ось непрерывно поднимаются и опускаются друг относительно друга, и эти смещения тем больше, чем хуже дорога. Если бы рабочий вал был жестко соединен с задней осью, малейшее сотрясение привело бы к его поломке. Итак, передача должна быть гибкой, то есть такой, при которой задняя ось могла бы свободно перемещаться вверх и вниз, не теряя связи с двигателем. В первых автомобилях привод от двигателя к ведущим колесам осуществлялся при помощи цепной передачи, которая получила широкое распространение в велосипедах. Цепь давала необходимую гибкость и обладала многими достоинствами, но она очень быстро загрязнялась и требовала почти ежедневного ухода. Поэтому очень скоро ей на смену пришел карданный вал. (Эта передача между двумя валами была изобретена итальянцем Кардано еще в XVI веке).
Соединение задних колес с осью тоже представляет определенную трудность. В главе, посвященной колесу, уже говорилось, что при движении экипажа по неровной дороге или на поворотах его колеса проходят разные пути, то есть вращаются с разной частотой. Для ведомых колес, не связанных жестко с осью, это требование выполняется автоматически. Но ведущие колеса нельзя свободно посадить на ось, поскольку через ось к ним передается вращение мотора. Однако и жестко их соединить нельзя, так как в процессе движения будет происходить проскальзывание одного колеса или пробуксовка другого, что резко ухудшает управляемость машиной — она не слушается руля и на большой скорости может не вписаться в поворот. Для соединения задних колес с осью служит дифференциал, который и дает возможность ведущим колесам вращаться независимо, не теряя связи с мотором. Чтобы понять принцип действия дифференциала, мысленно разрежем заднюю ось на две полуоси. На внешние концы этих полуосей будут насажены колеса, а на внутренние — две конических шестерни, расположенные параллельно одна против другой. Эти шестерни соединены между собой двумя коническими шестернями-сателлитами и заключены внутри прочного кольца, которое служит оболочкой всему прибору.
Движение от мотора M через сцепление V, передаточный вал A и коническую передачу P-Q передается на коробку дифференциала K, которая прикручена болтами к шестерне Q и вращается вместе с ней. С внутренней стороны коробки насажены два конических зубчатых колеса-сателлита EE, от которых приводятся в движение конические зубчатые колеса FF, наглухо насаженные на концы полуосей S и T, связанных с задними колесами G и D.
Когда автомобиль едет прямо, задние колеса вращаются с одной и той же скоростью, следовательно, сателлиты EE испытывают одинаковое давление и потому остаются неподвижными. При этом вся коробка дифференциала может рассматриваться как монолитная система, действующая так, как будто полуоси S и T жестко связаны между собой. Но если автомобиль делает поворот, то колесо, обращенное внутрь, оказывает большее сопротивление движущей силе. В этом случае одна шестерня F начинает вращаться медленнее, чем другая шестерня F, связанная с внешним колесом. Вследствие этого сателлиты начинают вращаться вокруг своей оси и передают усилие с внутреннего колеса на внешнее. К примеру, если шестерня Q (и связанная с ней коробка дифференциала) делает 100 об/мин, то колесо D начинает делать 80 об/мин, а колесо G 120 об/мин.
Все описанные устройства имели уже первые автомобили (точно так же, как и многие другие атрибуты современных автомашин: систему подвески, рулевые тяги, тормоза, шарикоподшипники и т.д.), из чего можно заключить, что бензиновый автомобиль, как транспортное средство, с самого начала обладал значительным совершенством. Это стало возможным благодаря тому, что в автомобилестроение был перенесен многолетний опыт использования других сухопутных транспортных средств: конного экипажа, паромобиля и велосипеда. Автомобиль очень многим обязан своим предшественникам, и наш дальнейший рассказ послужит тому подтверждением.
Так, например, подвески, рессоры, рулевое приспособление и тормоза достались автомобилю от карет и конных экипажей. Еще в 1640 году англичанин Блаунт построил первый экипаж со стальными С-образными рессорами, а в 1804 году английский мастер Эллот изобрел так называемые эллиптические или «лежачие» рессоры. В 1818 году Акерман придумал устройство для управления экипажем. В конструкции Акермана передняя ось состояла из трех частей — средней, неподвижной, закрепленной с помощью рессор на раме или на корпусе экипажа, и двух крайних частей (цапф), связанных со средней частью шарнирами. При повороте колеса вместе с цапфами, на которых они вращались, поворачивались вокруг вертикальной оси шарниров. Точно так же устроена передняя ось автомобиля.
Монолитные резиновые шины также впервые были установлены на каретах их в 1847 году изобрел англичанин Хэнком.
Непосредственным предшественником бензинового автомобиля стал паромобиль. Первым практически действовавшим паровым автомобилем считается паровая телега, построенная французом Кюньо в 1769 году. Перевозя до 3 тонн груза, она передвигалась со скоростью всего 2-4 км/ч. Были у нее и другие недостатки. Тяжелая машина очень плохо слушалась руля, постоянно наезжала на стены домов и заборы, производя разрушения и терпя немалый урон. Две лошадиные силы, которые развивал ее двигатель, давались с трудом. Несмотря на большой объем котла, давление быстро падало. Через каждые четверть часа для поддержания давления приходилось останавливаться и разжигать топку. Одна из поездок закончилась взрывом котла. К счастью, сам Кюньо остался жив.
Последователи Кюньо оказались удачливее. В 1803 году уже известный нам Тривайтик построил первый в Великобритании паровой автомобиль. Машина имела огромные задние колеса около 2, 5 м в диаметре. Между колесами и задней частью рамы крепился котел, который обслуживал стоявший на запятках кочегар. Паромобиль был снабжен единственным горизонтальным цилиндром. От штока поршня через шатунно-кривошипный механизм вращалось ведущее зубчатое колесо, которое находилось в зацеплении с другим зубчатым колесом, укрепленным на оси задних колес. Ось этих колес шарнирно соединялась с рамой и поворачивалась при помощи длинного рычага водителем, сидящим на высоком облучке. Кузов подвешивался на высоких С-образных рессорах. С 8-10 пассажирами автомобиль развивал скорость до 15 км/ч, что, несомненно, являлось очень неплохим для того времени достижением. Появление этой удивительной машины на улицах Лондона привлекало массу зевак, не скрывавших своего восторга.