Примеры эволюции деталей двигателя автомобиля

Один из красивейших автомобилей своего времени - Citroen DS
Один из красивейших автомобилей своего времени - Citroen DS

В качестве примеров улучшения технологичности деталей автомобильных двигателей приведем следующие.
Первые многоцилиндровые двигатели имели отдельно отлитые цилиндры. Индивидуальная отливка и механическая обработка отдельных цилиндров требовали много времени и труда. Сборка и проверка точности установки отдельных цилиндров несравнимо сложнее, чем при отливке всех цилиндров вместе с верхней частью картера двигателя. Кроме того, жесткость отлитого блока, меньший его вес и меньшее количество снимаемой при обработке стружки также характеризуют большее технологическое совершенство. Головка цилиндра в ранних конструкциях составляла с ним одно целое и при расточке зеркала цилиндра борштанга не имела опоры на входящем в цилиндр конце, что уменьшало точность расточки, ухудшало качество поверхности и усложняло установку при обработке.

Переход на съемные головки позволил обеспечить высокое качество и точность обработки (борштанги имели опорные подшипники на конце), сократил время установки на станок и обработки

Коленчатые валы первых двигателей изготовлялись из цельной копаной плиты на долбежных станках, затем — свободной ковкой, позднее перешли на штамповку в нескольких штампах, а новейшая технология заключается в литье с небольшим числом стержней, необходимых для образования полостей в шейках и щеках вала. Полученные таким образом литые валы обладают легкостью, жесткостью и прочностью, требуя на свое изготовление минимум материала, оборудования, времени и рабочих площадей.

Современное массовое производство автомобилей возможно только при той высокой технологичности деталей, которое теперь достигнуто в результате совместных усилий конструкторов и технологов. При этом роль технологов особенно ответственна, так как конструктор не всегда преследует цель упростить производство и увеличить производительность, он прежде всего обеспечивает соответствие детали ее функциям. С другой стороны технологические требования должны согласовываться с требованиями конструктора, так как стремление к достижению только совершенства технологии могут ухудшить основные свойства и качества детали.

Отмечая основные высокие преимущества поточного массового производства — высокую производительность, низкую стоимость продукции, полную взаимозаменяемость деталей и агрегатов, стандартизацию машин, что, в свою очередь, удешевляет и упрощает эксплуатацию и ремонт машин — нужно отметить некоторые отрицательные особенности массового производства. Так переход на выпуск новой конструкции машин требует коренного переоборудования всего производства и требует громадных затрат.

Даже небольшие частичные изменения и усовершенствования конструкции выпускаемых машин часто требуют очень сложных и дорогих мероприятий по переоборудованию, так как затрагивают весь технологический процесс, тесно связанный во всех его частях.

Toyota Corolla SR5
Toyota Corolla SR5



Предпосылки увеличения срока службы двигателя

Pontiac Catalina Convertible (1959)
Роскошный кабриолет Pontiac Catalina Convertible (1959)

В настоящее время для клапанных пружин применяются дешевые и недефицитные стали, термическая обработка усовершенствована и позволяет получить высокие упругие свойства. Для повышения прочности современные клапанные пружины подвергают дробеструйной обработке, при которой получается поверхностный наклеп, а для устранения поломок от резонанса шаг навивки делают переменным, что позволяет обеспечить прочность пружин при высоком числе оборотов коленчатого вала двигателя.

Постепенное совершенствование методов обработки зеркала цилиндров, улучшение качества чугуна, термическая обработка его, применение гильз и усиление жесткости блоков позволили значительно увеличить стойкость рабочей поверхности цилиндров и удлинить сроки их работы между ремонтами.

Улучшение качества антифрикционных материалов и методов их обработки, совместно с усовершенствованием методов механической и термической обработки шеек коленчатого вала, позволило значительно удлинить сроки работы вала и вкладышей.

Большую роль сыграло усовершенствование конструкции двигателя, обеспечивающей точность установки деталей, особенно коленчатого вала, шатунов, поршней и др. Отсутствие перекосов, обеспечение необходимых зазоров и натягов значительно сократило износы от неправильной установки и сборки. Здесь особенно следует подчеркнуть преимущество отливки цилиндров в одном блоке, к которому конструкторы и технологи пришли не сразу. Уменьшению износа также способствовало постепенное повышение качества смазочных материалов.

В дальнейшем, по-видимому, следует ожидать опять роста моторесурса, так как дальнейший рост числа оборотов коленчатого вала сопровождался снижением величины хода поршня.

Малолитражка Volvo PV-544
Малолитражка Volvo PV-544 (1959)



Предпосылки улучшения экономичности двигателя

Бензовоз Faneol (1930)
Бензовоз Faneol (1930)

Изменение эффективного к.п.д. автомобильных карбюраторных двигателей в процессе развития характеризуется резким ростом экономичности от начала появления бензиновых двигателей до 1925—1927 гг., далее рост идет с несколько ослабленным темпам.

Сильное улучшение экономичности в первые годы развития автомобильных двигателей обусловлено постепенным устранением различных недостатков рабочего процесса, имевших место в подавляющем большинстве двигателей. К этим недостаткам можно отнести следующие. Низкие степени сжатия вследствие неудовлетворительных форм камер сгорания. Ненормальное смесеобразование, обусловленное применением тогда конструкций карбюраторов, не обеспечивающих хорошего распыливания топлива. Частые нарушения нормального состава смеси в стороны переобогащения или переобеднения. Слишком большая нестабильность состава смеси по цилиндрам, обусловленная неудовлетворительным распыливанием топлива и неудачными конструкциями впускного и выпускного трубопроводов. Частое несоответствие момента зажигания режиму работы двигателя. Нарушения режима охлаждения — зачастую стремление к поддерживанию ненормально низкой температуры охлаждающей воды и т. п.

Наряду с устранением различных ненормальностей в рабочем процессе и конструкции двигателя сильное влияние на рост экономичности обусловило повышение степени сжатия, которая при небольших значениях влияла на экономичность значительно сильнее. В последующие годы экономичность двигателей неуклонно улучшалась главным образом благодаря постепенному повышению степени сжатия.

Автомобиль Pontiac Grand Ville (1973)
Автомобиль Pontiac Grand Ville (1973)



Улучшение экономичности двигателя

Роскошный роадстер Ford Phaeton (1934)
Роскошный роадстер Ford Phaeton (1934)

При изготовлении первых автомобилей еще не задавались экономией топлива. Главное стремление конструкторов заключалось в том, чтобы обеспечить бесперебойное движение. Вскоре было обращено внимание и на расход топлива, поскольку именно он определял размеры баков, обеспечивающих заданный запас хода, а при определенном объеме баков ограничивает его.

Рассмотрим изменение удельного расхода топлива в граммах на одну эффективную л.с. в час. Расход топлива в первых двигателях превосходил 500 г э.л.с.ч. и доходил даже до 1 кг/э. л. с. ч. В 1905г. испытания на стендах показывали удельный расход в 400—700 г/э.л.с.ч., а минимальный расход доходил до 350 г/э.л.с.ч. Автомобильные двигатели периода, предшествовавшего первой мировой войне, давали уже минимальный расход бензина в 270—300 г/э.л.с.ч.

Повышение степени сжатия и усовершенствование карбюраторов позволили в дальнейшем снизить расход бензина до 240—220, а в лучших современных бензиновых двигателях — до 120 г/э.л.с.ч. и более. Применение непосредственного впрыска бензина и повышение степени сжатия позволят еще снизить удельный расход топлива, приближая его к расходу дизельного двигателя.

Дизельные двигатели отличаются более высокой экономичностью и в зависимости от метода распыливания топлива дают расход 100—200 г/э.л.с.ч. дизельного топлива. В более старых конструкциях дизельных двигателей расход топлива составлял 180—220 г/э.л.с.ч., при этом меньшие значения относятся к двигателям с непосредственным впрыском (струйное распыливание). При оценке топливной экономичности следует учитывать теплотворность топлива, поэтому более точно экономичность можно оценить эффективным коэффициентом полезного действия, который для современных карбюраторных бензиновых двигателей колеблется от 0,20 до 0,30 и для дизельных двигателей от 0,27 до 0,39.

Chevrolet Pickup (1930)
Chevrolet Pickup (1930)



Позже →