13. Поняття «Конструктивна безпека автомобіля»: структура, взаємозв'язок з його експлуатаційними властивостями.

Конструктивная безопасность автомобиля - это свойство предотвращать ДТП, снижать тяжесть их последствий, не причиняя вреда людям и окружающей среде.

Конструктивная безопасность подразделяется на: активную, пассивную, послеаварийную, экологическую.

Активная безопасность – свойство автомобиля снижать вероятность столкновения или полностью его предотвращать, когда водитель активными действиями противостоит аварии. Она зависит от компоновочных параметров автомобиля (габарита, веса), его динамичности, управляемости и информативности.

Пассивная безопасность – свойство автомобиля уменьшать тяжесть последствий ДТП, если оно уже случилось. Пассивную безопасность обеспечивают конструктивные мероприятия:

Использование безопасных рулевых колонок

Использование ремней безопасности

Использование безопасного кузова и других элементов.

Послеаварийная безопасность – свойство автомобиля уменьшать тяжесть последствий ДТП после столкновения и предотвращать возникновение новых аварий. Сюда входят противопожарные мероприятия, эвакуация пассажиров и водителя из аварийного транспортного средства.

Экологическая безопасность – свойство автомобиля, позволяющее уменьшить вред, наносимый участниками движения окружающей среде в процессе эксплуатации (СО и уровень шума).

14. Фундаментальний принцип керування по відхиленню.

15. Характеристики датчика, вибір датчика.

16. Циліндри і голівки циліндрів, їх конструктивні особливості. Матеріали, що використовують для їх виготовлення.

Цилиндр — одна из главных частей поршневого двигателя внутреннего сгорания. Представляет собой рабочую камеру объемного вытеснения.

Внутренние и наружные части цилиндров испытывают различный нагрев и обычно выполняются из отдельных частей:

внутренняя часть — рабочая втулка или гильза цилиндра

наружная — рубашка (у двигателей воздушного охлаждения рубашка имеет рёбра для эффективного отвода тепла)

Пространство между ними называется зарубашечным, в двигателе с водяным охлаждением тут циркулирует охлаждающая жидкость.

В подавляющем большинстве случаев рубашки цилиндров выполняются в виде одной отливки для всего ряда цилиндров и называются блоком цилиндров. Рубашки и корпус блока цилиндров изготавливают обычно из того же материала, что и станина двигателя.

Внутренняя поверхность втулки или гильзы цилиндра является рабочей и называется зеркало цилиндра. Она подвергается специальной обработке (хонингование, хромирование, азотирование) с высокой точностью и имеет очень высокую чистоту. Иногда на зеркало цилиндра наносят специальный микрорельеф, высота которого составляет доли микрометров. Такая поверхность хорошо удерживает масло и способствует снижению трения боковой поверхности поршня и колец о зеркало цилиндра.

Гильзы отливают из чугуна высокой прочности или специальных сталей.

Цилиндры двухтактных двигателей отличаются по конструкции от цилиндров 4-х тактных двигателей наличием выпускных и продувочных окон. Кроме того, у цилиндров двухтактных двигателей двойного действия имеется в наличии нижняя крышка для образования рабочей полости под поршнем.

Головки (крышки) цилиндров вместе с цилиндрами образуют надпоршневую полость, в которой осуществляются все тепловые процессы рабочего цикла двигателя. Головка (ГБЦ) не только закрывает цилиндр, по и служит полостью для полного или частичного размещения объема сжатия c, т. е. камеры сгорания, а также свечи зажигания (при внешнем смесеобразовании) или форсунки (в двигателях с внутренним смесеобразованием). В головке верхнеклапанного двигателя размещается клапанный механизм, каналы впуска рабочего тела в цилиндр и выпуска горячих отработавших газов. К головкам крепят также впускные и выпускные трубопроводы с их системами и вспомогательное оборудование двигателя.'

Стенки головки, образующие камеру сгорания, в большей мере, чем стенки цилиндра, подвержены воздействию открытого пламени и давлению газа. Поэтому делают их в 1,5—2,0 раза толще стенок гильз цилиндров и интенсивно охлаждают.

При жидкостном охлаждении головки (ГБЦ), как и цилиндры, одевают рубашкой охлаждения, а в двигателях воздушного охлаждения — оребряют. Полости рубашек охла­ждения головки и цилиндра с помощью протоков объединяются в общую систему, циркуляция жидкости в которой организуется так, чтобы «холодный» поток ее на входе в систему охлаждения двигателя имел температуру около 80°С и прежде всего омывал наиболее горячие стенки головки (выпускные патрубки). В двигателях воздушного охлаждения оребрение головки делают особенно развитым, причем ребра располагают по движению потока охлаждающего воздуха так, чтобы обеспечивался более эффективный теплоотвод.

В связи с изложенным головка цилиндров приобретает весьма сложную конструкцию, особенно в двигателях с верхним расположением клапанов. Головки автомобильных двигателей делают не только съемными, но и отливают общими для всех цилиндров, образующих ряд (от двух до восьми включительно), или для группы цилиндров (практикуется в основном при воздушном охлаждении). Только в очень малых двухтактных одноцилиндровых двигателях находит еще применение совместная отливка головки с цилиндром. Объединение этих важных конструктивных элементов остова двигателя чрезвычайно осложняет обработку зеркала цилиндра и выполнение монтажно-демонтажных работ при ремонте многоцилиндровых двигателей, поэтому метод совместной отливки в авто- и тракторостроении в настоящее время не применяется.

Головки (ГБЦ) двигателей автомобильного и тракторного типов изготовляют из серого или легированного чугуна, но чаще всего из алюминиевых сплавов (для краткости их называют обычно алюминиевыми). В карбюраторных двигателях с воздушным и жидкостным охлаждением предпочтительнее применять алюминиевые головки. Алюминиевые сплавы обладают хорошей теплопроводностью, вследствие чего тепловая напряженность стенок головки бывает сравнительно ниже чугунных. Поэтому алюминиевые головки способствуют уменьшению степени подогрева свежего заряда и позволяют работать с более высокими степенями сжатия на том же топливе без возникновения детонационного сгорания. В результате этого применение алюминиевых головок позволяет улучшать мощностные и экономические показатели двигателей.

Чтобы одновременно использовать высокую теплопроводность алюминия и жаростойкость чугуна в дизелях с воздушным охлаждением, основание головки и патрубки, особенно выпускных каналов, изготовляют иногда из чугуна и заливают их алюминиевым сплавом. По сравнению с чугунными головками это улучшает теплоотвод и уменьшает возможную деформацию головки при ее нагреве и охла­ждении. Однако для головок форсированных дизелей (работающих с большой тепловой напряженностью) рекомендуется применение алюминиевых сплавов.

При изготовлении головок из алюминиевых сплавов обязательно применяются вставные седла под клапаны. Они изготавливаются из высокопрочного жаростойкого чугуна, имеющего высокий коэффициент линейного расширения , из легированной или среднеуглеро-дистой стали и алюминиевой бронзы.

Для плотной и надежной посадки вставных седел в головку ее нагревают примерно до 170—200°С, а седла охлаждают иногда до температуры минус 80°С (в сухом льду). После такой сборки седла обвальцовывают еще путем уплотнения вокруг них материала головки. Необходимость этого вызывается тем, что наиболее горячим местом головки является перемычка между гнездами клапанов, нагревающаяся до 230— 260°С, а так как механическая прочность алюминиевых сплавов при нагреве заметно снижается, то плохая посадка вставного седла приводит к потере герметичности и выходу из строя всей головки. В нагретую головку запрессовывают и направляющие втулки для клапанов, которые изготовляют из чугуна, металлокерамики или бронзы. Такие втулки используют и в чугунных головках.

Вставки в алюминиевую головку двигателей воздушного охлаждения делают также для крепления свечи зажигания или форсунки, если последняя имеет резьбовое крепление, т. е. ввертывают непосредственно в тело головки. Такие вставки обычно выполняют в виде простых резьбовых переходных втулок (футорок) и ввертывают в предварительно нагретую головку.

Вставные седла под клапаны применяют и в чугунных головках, но их обычно ставят под выпускные клапаны, поскольку они работают в более тяжелых условиях (средняя температура нагрева достигает у них 800°С). Вставки в этих случаях изготовляют из жаропрочных материалов.

Плоскости стыка головки и блока цилиндров уплотняют с помощью стале-асбестовых или цельнометаллических прокладок, которые ставят сразу под всю головку. При затяжке шпилек крепления головки, например, правого блока цилиндров прокладка зажимается между верхней опорной плоскостью правого блока и привалочной пло­скостью его головки.

С тале-асбестовые прокладки в настоящее время применяют в подавляющем большинстве двигателей автомобильного типа. Их основу составляет огнестойкий волокнистый минерал — асбест, приготовленный в виде тонкого листа (листовой асбест). Для придания прокладкам необходимой прочности их армируют тонким перфорированным стальным листом или сеткой из стальной проволоки. В последнем случае получают асбостальное полотно, из которого и вырубают прокладки головки блока. Прокладки делают с такими же внутренними и наружными контурами, какие имеются у привалочной плоскости блока цилиндров со сложным рисунком отверстий под камеры сгорания, шпильки крещения соединительные каналы рубашки охлаждения и т. д. Толщина прокладок в рабочем (сжатом) положении составляет примерно 1,5 мм.

По контуру камер сгорания и в местах с тонкими перемычками между цилиндрами стале-асбестовые и другие армированные прокладки окантовывают тонким сравнительно мягким стальным листом. Металлическая окантовка улучшает механические свойства прокладок и главное позволяет повышать местную плотность стыка вокруг камеры сгорания, что имеет важное значение для надежного уплотнения цилиндров. Чтобы предохранить прокладку от прогорания, ее окантованную кромку отводят от контура'внутренних стенок камеры сгорания примерно на 1—2 мм. В конструкциях с мокрыми гильзами с этой целью опорный фланец гильзы снабжают иногда специальным буртиком, который защищаетуплотнительную прокладку от воздействия открытого пламени и возможного ее прогорания.

Для уменьшения прилипаемости прокладок к привалочным плоскостям головки или цилиндров и последующего разрыва их при разборке двигателя поверхности прокладок обильно покрывают графитом. Ранее все асбестовые прокладки двигателей вообще пол­ностью облицовывались тонкой листовой латунью (фольгой). В результате получались так называемые медно-асбестовые прокладки, выдерживавшие многократное употребление, но вследствие относительной их сложности и дороговизны в подавляющем большинстве случаев они заменяются теперь сравнительно простыми, дешевыми, хотя и менее надежными, армированными прокладками.

Цельнометаллические прокладки под головку блока изготовляют из листовых металлов — алюминия, меди или мягкой стали. Алюминиевые прокладки используют, например, на дизеле В-2. Они вырубаются из целого листа под всю головку ряда (блока цилиндров) так, чтобы перекрывался опорный фланец гильзы, который, в случаях использования мокрых гильз, обычно на 0,1— 0,2 мм возвышается над привалочной плоскостью блока цилиндров. Опорный фланец мокрой гильзы В-2 в зоне соприкосновения с прокладкой имеет ряд кольцевых уплотнительных канавок, а по вну­тренней кромке — буртик, предохраняющий алюминиевую прокладку от непосредственного воздействия открытого пламени.

Стальные прокладки под головку блока представляют собой набор нескольких, определенным образом спакетированных, тонких, относительно мягких листов. Такие прокладки применяют, в частности, на двухтактных дизелях Ярославского моторного завода.

Медные уплотнительные прокладки, изготовленные в виде тонких колец, ставят под чугунные головки цилиндров двигателей воздушного охлаждения. Алюминиевые головки в этих двигателях обычно устанавливают без прокладок.

Надежность уплотнения головки блока в любом случае зависит от правильной и равномерной ее затяжки при установке на цилиндры. Головку блока следует затягивать только на холодном двигателе в строго определенной последовательности и обязательно динамометрическим ключом, позволяющим контролировать величину приложенного усилия. Затяжку головки обычно начинают со средней ее зоны с постепенным переходом к периферийным зонам. Момент затяжки головок в карбюраторных двигателях жидкостного охлаждения составляет в среднем 7—12 кГ·м (≈70—120 н·м), а в дизелях достигает 20 кГ·м (≈200 н·м). При выборе последовательности и нужного момента затяжки в каждом отдельном случае следует руководствоваться инструкцией завода-изготовителя. Неправильная затяжка головки снижает или вовсе сводит на нет эффективность любых уплотнительных прокладок. Надо следить также за тем, чтобы под гайки шпилек (головки болтов) крепления алюминиевых головок обязательно подкладывались обычные стальные толстые шайбы, иначе гайки будут врезаться в мягкое тело головки и разрушать поверхность ее стенок. Чугунные головки крепят без применения шайб.

Цилиндр представляет собой одну из главных деталей поршневого двигателя. Внутренняя полость цилиндра составляет основу рабочей полости, в которой осуществляются все тепловые процессы, связанные с преобразованием тепловой энергии топлива в механическую работу.

Стенки внутренней полости цилиндра служат также направляющими для поршня при его перемещениях между крайними положениями. Поэтому длина образующих цилиндра предопределяется величиной хода поршня.

Цилиндр работает в условиях переменных давлений в надпорш-невой полости. Внутренние стенки его соприкасаются с пламенем и горячими газами, раскаленными до температуры 1500—2500°С. К тому же средняя скорость скольжения поршневого комплекта по стенкам цилиндра в автомобильных двигателях достигает 12— 15 м/сек при недостаточной смазке. Поэтому материал, употребляемый для изготовления цилиндров, должен обладать большой механической прочностью, а сама конструкция стенок повышенной жесткостью. Стенки цилиндров должны хорошо противостоять истиранию при ограниченной смазке и обладать общей высокой стойкостью против других возможных видов износа (абразивного, коррозионного и некоторых разновидностей эрозии), уменьшающих срок службы цилиндров (Износ цилиндров автомобильных двигателей является следствием комплексного воздействия на стенки многочисленных физических и химических быстротекущих процессов, которые по характеру проявления разделяются на три основных вида износа: эрозивный, возникающий вследствие механического истирания, схватывания и других разрушающих процессов при непосредственном контакте металлических трущихся поверхностей; коррозионный, возникающий при всякого рода окислительных процессах на поверхностях трения; абразивный, вызывающий разрушение поверхностей трения при наличии между ними твердых или, как говорят, абразивных частичек, в том числе и продуктов износа). Материалы, применяемые для изготовления цилиндров, должны обладать хорошими литейными свойствами и легко обрабатываться на станках.

В соответствии с этими требованиями в качестве основного материала для цилиндров применяют перлитный серый чугун с небольшими добавками легирующих элементов (никель, хром и др.). Применяют также высоколегированный чугун, сталь и алюминие­вые сплавы.

Цилиндры из алюминиевых сплавов с внутренней стороны покрывают слоем пористого хрома толщиной 0,1—0,15 мм. Слой пористого хрома, имеющий канальчатую поверхность, хорошо удерживает смазку и обладает повышенной износостойкостью. Такой метод изготовления легких износостойких цилиндров используется иногда для мотоциклетных и автомобильных двигателей малого литража.

При использовании более дорогих материалов цилиндры чаще всего делают комбинированными, т. е. состоящими из двух металлов. Для внутренних стенок, образующих рабочую поверхность цилиндра, в этих случаях применяют наиболее износостойкие материалы. Например, сталь или высоколегированный аустенитный чугун, содержащий 14—15% никеля, 6—7% меди и 2—4% хрома. Аустенитный никельмедистохромистый чугун-нирезист отличается от перлитного чугуна высокой коррозионной стойкостью, хорошей сопротивляемостью истиранию при ограниченной смазке и другими положительными свойствами.

Чтобы уменьшить потери на трение и обеспечить необходимое уплотнение надпоршневой полости, внутренние стенки цилиндров тщательно обрабатывают. По возможности им придают строго цилиндрическую форму, а рабочую поверхность доводят до высокой степени чистоты. Внутреннюю поверхность стенок называют зеркалом цилиндра.

Высокая температура газов в надпоршневой полости цилиндра и сравнительно большое количество тепла, выделяющегося при трении поршня и поршневых колец о зеркало цилиндра, вызывают интенсивный нагрев стенок, вследствие чего возникает необходи­мость в постоянном отводе от них тепла. Практически это достигается непрерывным охлаждением стенок цилиндров жидкостью или воздухом. Даже кратковременное прекращение такого охлаждения связано с аварией цилиндра и выходом из строя двигателя. Быстро наступающий перегрев неохлаждаемых стенок приводит к «схваты­ванию» трущихся поверхностей или к заклиниванию поршня в цилиндре, возможному обрыву шатуна и другим большим разрушительным последствиям.

Температура стенок цилиндров на прогретом двигателе поддерживается в пределах 100—150°С. Более высокую температуру имеют при этом стенки верхней зоны цилиндров, омываемые наиболее горячими газами. В двигателях с воздушным охлаждением отдельные участки верхней зоны цилиндров нагреваются до 170— 180°С, а средняя температура их стенок всегда бывает выше, чем при жидкостном охлаждении.

Повышенный нагрев стенок приводит к излишнему подогреву поступающего в цилиндры свежего заряда и уменьшению его весового содержания. Двигатели развивают при этом заметно меньшую мощность. Однако нельзя и переохлаждать цилиндры. При температуре ниже 100°С на стенках возможна конденсация паров воды. А так как в продуктах сгорания наряду с парами воды и другими химическими соединениями содержится некоторое количество сернистого газа, то создаются благоприятные условия для образования серной кислоты, коррозирующей стенки цилиндров, вследствие чего износ их резко возрастает.

В зависимости от способа охлаждения конструкция цилиндров и всего двигателя приобретает свои характерные особенности.

Цилиндры двигателей воздушного охлаждения отливают индивидуально, а для увеличения теплоотвода наружная поверхность их оребряется (рисунок). Следовательно, при воздушном охлаждении цилиндр, строго говоря, состоит из двух конструктивных элементов: гильзы или, как ее называют иногда, втулки и оребрения. Размер ребер и межреберных промежутков выбирают из условий, чтобы оребрение оказывало возможно меньшее сопротивление потоку охлаждающего воздуха и в то же время было достаточно развитым и обеспечивало нужную интенсивность теплоотвода. В существующих конструкциях площадь поверхности оребрения цилиндра примерно в 10 раз превышает площадь его зеркала в зоне оребрения.

Оребряемой поверхности гильзы, как показано на рисунке а и б, придают цилиндрическую или коническо-цилиндрическую форму. Чаще применяются гильзы с цилиндрической средней частью и с конической формой ее периферийных зон (см. рисунок б). Это способствует выравниванию температуры как по окружности, так и по высоте цилиндра, в частности уменьшает перепад температур в зоне перехода от оребренной части цилиндра к неоребренной. Утолщение стенок гильзы в верхней и нижней ее зонах повышает также общую жесткость цилиндра, а уменьшение толщины стенок гильзы в средней части увеличивает сечение воздушных каналов, что способ­ствует лучшему теплоотводу.

В двигателях с воздушным охлаждением применяют как цельнометаллические, так и комбинированные цилиндры. Цельнометаллические цилиндры изготовляют из чугуна, реже их делают стальными, а в малых двигателях применяют также алюминиевые сплавы с хромированной поверхностью зеркала. Ребра отливают вместе с гильзой или нарезают на станках. Чаще используют первый, наиболее простой и экономически выгодный метод. Комбинированные цилиндры представляют собой чугунную или стальную основу с ребрами из алюминиевых сплавов, получаемых методом литья (см. рисунок г), или же алюминиевую оребрснпую основу с запрессованной в нее, например, чугунной гильзой (рисунок е). В таких цилиндрах высокая износостойкость сочетается с хорошим теплоот-водом, так как теплопроводность алюминиевых сплавов в 3—4 раза выше теплопроводности чугуна. Более высокими качествами обладают биметаллические цилиндры, получаемые методом заливки ребер, обеспечивающим монолитность их соединения с основой цилиндра.

Многоцилиндровые двигатели с воздушным охлаждением снабжают общим для всех цилиндров картером. Примером здесь может служить двигатель автомобиля «Запорожец».

Цилиндры двигателей с жидкостным охлаждением в отличие от рассмотренных оребрениых изготовляют с двойными стенками, что значительно усложняет их конструкцию. Внутренние стенки образуют у них гильзу цилиндра, а внешние более тон­кие— его рубашку. Стенки рубашки охватывают гильзовую часть цилиндра так, что между ними образуется полость, используемая для циркуляции охлаждающей жидкости.

Из соображений облегчения ремонта и увеличения срока службы цилиндров с жидкостным охлаждением их в большинстве случаев изготовляют комбинированными, с короткими вставками или со вегавками па всю длину зеркала цилиндра и с легкосъемными гильзами.