Автомобиль за 100 лет

Долматовский Ю. А.

Механизмы — то простые, то сложные

Сложившаяся к началу XX века схема двигателя не претерпела коренных изменений. Собранный из отдельных цилиндров двигатель получался очень длинным. Сама по себе его длина, как уже сказано, не тревожила конструкторов. Но увеличивалась масса двигателя, длинные валы становились восприимчивыми к изгибу и вибрациям. Решили отливать цилиндры попарно, без промежутка между цилиндрами пары. При этом сохранялся принцип их унификации, поскольку одноцилиндровые двигатели выходили из употребления, а нечетные комбинации цилиндров почти не применялись.

За период «ветеранов» средняя и литровая (на 1 литр рабочего объема) мощность, частота вращения вала двигателя возросли вдвое, рабочий объем двигателя — в полтора раза. Затем объем уменьшился, а прочие показатели продолжали расти. Вдвое увеличились число цилиндров и степень сжатия, а средний объем одного цилиндра'уменьшился в 2 с половиной раза. Эти количественные изменения способствовали росту удельной мощности, бесперебойности и плавности работы, приемистости двигателя (см. график в конце четвертой главы). Но сами по себе количественные изменения не дали бы эффекта без устройств для своевременной подачи горючей смеси в должном объеме и составе, ее эффективного сгорания, очистки цилиндров.

Установлено, что для полного сгорания смеси самая выгодная форма камеры — полусферическая. Но ее искажало ответвление для клапанов. Перепробовали разные варианты их расположения. Пока впускной был автоматическим, его ставили над впускным, потом попытались придать камере симметричную форму с двумя ответвлениями, для чего установили с обеих сторон двигателя распределительные валы: один для впускных клапанов, другой — для выпускных. Такая Т-образная схема двигателя привлекала своей стройностью, позволяла отключать впускные клапаны отдельно от выпускных (это считалось важным). Схема продержалась долго, хотя из-за нее двигатель стал шире и тяжелее, а число деталей привода распределения, шестерен или цепей почти удвоилось. В симметричной камере с отдаленными от свечи клапанами смесь не сгорала полностью. Появились двигатели с двумя свечами в каждом цилиндре. В конце концов вернулись к камере с расположением обоих, теперь уже нижних и управляемых, клапанов на одной стороне и общим распределительным валом (Г-образная схема).

В течение нескольких лет соперничали все четыре варианта расположения клапанов. Стало очевидно, что для схемы с верхним впускным и нижним выпускным клапаном сгорание смеси на 10—15% лучше, однако конструкция ненадежна и сложна. Т-образный вариант незначительно (тем более при двух свечах зажигания) уступает Г-образному, но последний проще и надежнее, технологичен и менее шумен.

Несколько слов о шуме двигателей. Он вызывал едва ли не самые резкие претензии к автомобилю. Сильнейшими источниками шума были процесс выпуска газов, работа клапанов, приводных цепей и шестерен распределения. Уже на первых автомобилях ставили громоздкие глушители, в которых газы, проходя через лабиринт, теряли давление и выходили в атмосферу сравнительно тихо. На преодоление сопротивления выходу газа в лабиринте тратилась и без того ограниченная мощность двигателя. Компромисс нашли такой: перед глушителем ставили задвижку, которую водитель мог открывать, газы выходили в атмосферу, минуя глушитель. Вспомните из «Золотого теленка»: «Козлевич открыл глушитель, и машина выпустила шлейф синего дыма». С увеличением мощности двигателей надобность в задвижке отпала.

Стук клапанов так досаждал автомобилистам, что они увлеклись так называемым бесклапанным (золотниковым) двигателем, запатентованным в 1903 году в США Ч. Найтом. Для снижения уровня шума фирмы, выпускавшие дорогие автомобили, снабжали их найтовским двигателем, несмотря на его сложность и повышенный расход топлива (из-за потерь на трение золотников). Впоследствии с увеличением частоты вращения вала и соответственно возросшим трением да и по ряду других причин двигатели Найта оказались и вовсе невыгодными, тем более что стук клапанных двигателей удалось в значительной мере ослабить.

Продолжим описание механизмов. Пульверизационный карбюратор дополнили вспомогательными жиклерами и ускорительным насосом, чтобы подавать в цилиндры богатую горючую смесь при пуске холодного двигателя или резком ускорении, и бедную — при работе на холостом ходу. Отпала необходимость в наивной системе «отключения клапанов».

С созданием магнитоэлектрического генератора (магнето) он стал широко применяться в системах зажигания, но не сразу приобрел надежность, позволившую ему продержаться до 30-х годов. На дорогих автомобилях применяли «на всякий случай» двойное зажигание — и от магнето, и от батареи, с отдельными свечами для каждой системы.

Долгое время считали, что электричество в автомобиле нужно только для зажигания. В темноте старались не ездить. Если и ставили фары, то со слабыми керосиновыми и даже свечными фонарями или требовавшими больших хлопот газовыми (ацетиленовыми). Плафоны освещения в открытом кузове попросту некуда было ставить. На многих легковых автомобилях электрическое освещение не устанавливали до клапанных двигателей, один из которых показан в разрезе: / — свеча зажигания; 2 — гильзы распределения; 3 — эксцентриковый привод; 4 — кривошипный механизм

Главные претензии вызывали у автомобилистов проколы шин и шум-ность двигателя. Попытки побороть эти дефекты привели к проектам пружинных колес вместо пневматиков и к временному распространению бес-

20-х годов, а на некоторых грузовых оно появилось еще позже. Это позволяло при зажигании с помощью магнето обходиться без аккумуляторов.

Настал, однако, момент, когда сильный источник тока оказался необходимым на автомобиле. Скорость требовала прожекторов, закрытые кузова — внутреннего освещения, пуск двигателя — особого электромотора. На автомобиле вновь появился аккумулятор, но теперь уже не чета бунзе-новским элементам — энергоемкий и надежный. Можно было устранить сложное и тяжелое магнето, вернуться к простой и безотказной батарейной системе зажигания.

Пуск двигателя имел не меньшее значение, чем зажигание. Автомобиль не мог стать достоянием широкого круга потребителей, пока его пуск был опасным и сложным процессом. Вращая рукоятку, нужно было преодолевать давление в цилиндрах двигателя. Обратные удары рукоятки приводили к травмам рук водителей. Вообще возня с заводкой при заглохшем двигателе была (да осталась и сейчас, если стартер неисправен) одной из самых неприятных для водителя операций.

Конструкторы принимали меры к тому, чтобы заменить рукоятку более удобным устройством. Тянули от нее трос к сиденью водителя, предусматривали взрыв смеси искрой в одном из цилиндров, наполняли цилиндр сжатым воздухом, пристраивали к коленчатому валу заводную пружину. Все это были примитивные и неудобные или сложные и капризные устройства. Простым и надежным оказался электромотор с шестеренкой, зацепляемой в нужный момент с зубчатым венцом на маховике двигателя. Маховик начинал вращаться и запускал двигатель. Стартер изобрел американский конструктор Ч. Кеттеринг (1876—1960). В 1912 году стартером снабдили автомобиль «Кадиллак».

Около двигателя размещали механизм сцепления. В маховике двигателя вытачивали коническую поверхность, а на первичный вал коробки передач надевали передвижной конус, покрытый кожей. Конус прижимала к маховику пружина, соединяя двигатель с коробкой передач. Чтобы выключить сцепление, нужно было нажимом на педаль (в ряде конструкций переводом особого рычага — еще одного!) преодолеть сопротивление пружины и оттянуть конус от маховика.

Конструкция была работоспособна при большой поверхности конуса и отличном состоянии кожаных накладок. Большой конус — значит тяжелый механизм и мощная пружина, а следовательно, тяжелая работа водителя. Если разбирали сцепление для смены накладок, то пружина нередко выскакивала, могла поранить водителя и даже пробить крышу гаража. Чтобы избежать износа накладок, их ежедневно (!) смазывали жиром. В этой процедуре участвовали три человека. Один нажимал педаль, другой вращал заводную рукоятку, а третий, сняв доску пола кузова, протискивался к сцеплению и ножом наносил жир на накладки.

На смену конусному пришло дисковое сцепление. Как в операции с граммофонной пластинкой: стоит опустить пластинку на диск, и трение увлечет ее, завертит со скоростью диска. Так и в дисковом сцеплении: нажимая на педаль, водитель отводит диск от маховика, отпуская педаль — предоставляет пружине прижимать диск. Первые такие сцепления состояли из многих дисков, смазывались из картера двигателя. В холодную погоду масло густело и склеивало диски. Только после продолжительного прогрева сцепление начинало подчиняться водителю. Постепенно число дисков свели к одному-двум и снабдили накладками из специального, не требующего смазки, долговечного материала.

В коробках передач начала века предусматривались три передачи для движения вперед и одна для заднего хода. Если говорить о типичной трансмиссии автомобиля-ветерана, то этим можно было бы ограничиться. Но при всей ее типичности она не удовлетворяла автомобилистов. Переключение передач требовало изрядной ловкости, редко проходило без угрожающего скрежета шестерен, а то и поломок их зубьев, визжали шестерни и во время движения автомобиля. Поэтому конструкторы упорно работали над совершенствованием коробки передач. Одни кропотливо улучшали материал шестерен и геометрию их зацепления. Другие придерживались, как казалось, простых решений. Например: около маховика расположен поперечный вал с диском, так называемым фрикционом, обшитым кожей. Вал можно отодвигать от маховика рычагом, а фрикцион перемещать влево и вправо. Прижимая его к разным точкам маховика, водитель получает ту или иную частоту вращения поперечного вала, от которого идет приводная цепь к одному из задних колес. Эта «гениальная» простота на деле себя не оправдала. Кожа замасливалась и стиралась, проскальзывала, что вызывало перегрев двигателя. Другой заменитель шестеренной коробки передач предложил конструктор Фердинанд Порше (впоследствии знаменитый). На валу двигателя автомобиля марки «Лонер» (Австро-Венгрия) он смонтировал генератор тока, а на передних колесах машины — электромоторы. При таком устройстве плавно изменяется усилие на колесах и частота их вращения, управление трансмиссией сводится к одной педали, отсутствуют шумные шестерни и цепи. Увы, коэффициент полезного действия тогдашней электропередачи был очень низким.

Стремление конструкторов найти необычное решение тех или иных агрегатов чаще всего бывает преждевременным. К его реализации еще не готовы смежные отрасли. Чтобы не быть голословным, укажу, что фрикционная передача (правда, в ином исполнении, чем описанная выше) с успехом применяется на легковых автомобилях 80-х годов, а электропривод — на большегрузных.

Тормоза... В одном из докладов Американского общества автомобильных инженеров говорится: «Когда-то проблема состояла в том, чтобы заставить автомобиль двигаться; позднее (речь идет о периоде «ветеранов». — Ю. Д.) проблемой стало — как его останавливать». Историк автомобильной техники Дж. Бишоп (Англия) отделывается репликой: «Что касается возможности автомобиля-ветерана быстро останавливаться, то лучше об этом не говорить». Система торможения действительно отставала в развитии от других систем и механизмов автомобиля. Долго использовали экипажные тормоза-башмаки, прижимавшиеся к шинам. Потом добавили трансмиссионный тормоз с горизонтальной педалью рояльного типа. Она стягивала ленту, охватывавшую барабан на выходном валу коробки передач. Рояльную педаль заменили наклонной, водитель мог нажимать ее с большой силой. Дополнили трансмиссионный тормоз барабанами, установленными на задних колесах, но опять-таки с ленточными тормозами, действовавшими более или менее эффективно 'только при движении автомобиля вперед. Лишь на отдельных машинах устанавливали на задних колесах тормоза с колодками, наподобие нынешних. И это — в условиях, когда серийные автомобили уже достигали скорости 100 км/ч и более.

Немногим лучше обстояло дело и с подвеской. Хоть и существовало множество вариантов расположения и конструкции рессор, все это были наши старые знакомые — экипажные листовые рессоры. Они не устраняли тряску автомобиля на большой скорости и на неровных дорогах того времени. Из всего изобилия вариантов к концу периода остановились на двух, наиболее простых — продольных и поперечных полуэллиптических рессорах. В дополнение к рессорам применяли фрикционные амортизаторы. Трение в их шарнирах лишь незначительно ограничивает пружинное действие рессоры (когда ось подскакивает на очередном ухабе), но гасит последующую качку рамы и кузова.

Шина на колесо автомобиля была надета в конце прошлого века братьями Эдуардом и Андре Мишлен (1859—1940 и 1853—1931). Она должна была сохранять давление воздуха и защищать камеру от проколов подковными гвоздями, в изобилии рассыпанными по дорогам. В начале XX века самые лучшие шины, сделанные на заказ для гонок, приходилось менять десятки раз на пробеге в 200—300 км. Можно без преувеличения сказать, что современная шина, если ее поставить на самый тихоходный тогдашний автомобиль, обеспечила бы ему победу в любой гонке.

Несмотря на разнообразие видов подвески, все они представляли собой листовые рессоры, как у экипажей

Но еще более важным было облегчение смены шин. Дело в том, что колесо не сразу догадались выполнить легкосъемным, и в случае прокола шины автомобилисты оказывались в еще более трудном положении, чем их нынешний коллега, если у него нет исправного запасного колеса. Ведь им нужно было, кроме всего прочего, накачать шину до высокого (до 5—6 атм) давления!

Конструкторы бились над созданием надежной шины. Кольцо из резинового рукава превратили во внутреннюю камеру шины, окружив ее защитной резиновой же покрышкой на парусиновой основе. Небольшие гвозди теперь уже не всегда пробивали толщу покрышки.

Иные автомобилисты предпочитали ездить на прежних сплошных резиновых бандажах, подвергая себя тряске. Появились проекты пружинных спиц вместо шин и рекомендации по установке дополнительных колес, которые можно было быстро прикрепить к получившему прокол колесу, доехать до дома. В 1906 году небольшой «Рено» с командой из двух человек опередил в гонке мощный «Лорен», команда которого состояла из механиков-силачей (они поднимали автомобиль без домкрата!). Дело в том, что «Рено» имел колеса со съемными стальными ободами поверх деревянных и запасной обод с заранее накачанной шиной. При проколе гонщики отвертывали шесть гаек, меняли обод на запасной и продолжали путь до очередного поста фирмы, где получали новую уже смонтированную запасную шину. Во втором десятилетии века почти все автомобили снабдили съемными ободами.

Особое место среди «ветеранов» занимает английский «Роллс-Ройс». Учредителями фирмы были энтузиасты-автомобилисты — предприимчивый аристократ Чарлз Стюарт Ролле (1881 —1910) и известный конструктор Фредерик Генри Ройс (1860—1930). Они поставили себе цель — создать наиболее надежные, комфортабельные автомобили. В начале столетия это казалось фантазией. Упорная работа конструкторов закончилась успешно. В 1907 году родилась модель «Серебряный дух», претерпевшая за двадцать лет лишь самые незначительные изменения и, несмотря на это, почти не устаревшая, настолько она была совершенной.