Bilen
Bil är ett motorfordon som är försett med åtminstone tre hjul, och som inte kan anses vara en motorcykel eller en moped. Bilar delas in i personbilar, lastbilar och bussar. Från början användes benämningen automobil, som är latin och betyder "självgående". Förkortningen gjordes
ursprungligen av den danska tidningen Politiken,
1902.
Historik
Bilens ursprung går att spåra i de självgående
vagnar drivna med ångmotorer som konstruerades
först av fransmannen Joseph Cugnot. Denne utvecklade en
självgående artillerivagn kallad "Fardier à vapeur" år
1769. År 1801 konstruerades den första vagnen för
persontrafik av engelsmannen Richard Trevithick.
Under 1800-talets första hälft konstruerade sedan ett antal liknande vagnar både i Frankrike och England.
Den första vagnen med förbränningsmotor byggdes av fransk-belgaren Étienne Lenoir år 1862. Den första med bensinmotor kom år 1865 och var konstruerad av tysk-österrikaren Siegfried Marcus men så långt var det ganska experimentellt.
Det var först år 1886 som två praktiskt användbara
bilar byggdes. Oberoende av varandra konstruerade
de två tyska ingenjörerna Gottlieb Daimler och Carl
Benz varsin bensindriven bil. Daimlers var baserad på en
hästdroska där han monterat en motor mitt i vagnen och
en styranordning vid framsätet som gick genom golvet
ned till framaxeln.
De första bilarna var dock alldeles för dyra och
underhållskrävande för att bilen skulle slå igenom som
fortskaffningsmedel. Amerikanen Henry Ford gjorde, i och
med den masstillverkning på löpande band som 1913
inleddes av T-Forden, bilen till var mans egendom.
Andra mycket betydelsefulla bilmodeller är:
· Volkswagen Typ 1: Producerades från 1938 till 2003 - de första decennierna i Tyskland och de sista åren i Mexico.
· Austin Mini: En banbrytande bil med modernt kompakt byggsätt - ett hjul i varje hörn, tvärställd motor och framhjulsdrift.
Biltyper
Juridiskt delas bilar in i personbilar, bussar och lastbilar. Några fordonstyper som starkt påminner om bilar är mopedbilar, som enligt lagen är mopeder, och EPA-traktorer, som enligt lagen är traktorer.
Personbilar kan delas in i olika kategorier efter sin karossform. De vanligaste formerna är
Cognots "Fardier a vapeur" från år 1769.
· herrgårdsvagn (kombi),
· sedan, coupé,
· cabriolet, öppen bil,
· SUV (Sport utility vechile), även kallad stadsjeep
· minibuss
· Skåpbil / Paketbil (finlandssvenska)
Några typer av bilar för speciell yrkesverksamhet är
polisbilar, brandbilar, ambulanser, bärgningsbilar och taxibilar.
Uppbyggnad
En bil består av en kaross med
hjulupphängningar, motor, växellåda, drivaxlar, bromssystem, styrinrättning, elsystem, förarplats, passagerarutrymme och lastutrymme. Moderna bilar har en ratt som styranordning. I länder med högertrafik är vänsterstyrda bilar vanligast, medan
högerstyrda bilar förekommer mest i länder med vänstertrafik (Japan, Australien, Storbritannien) Motor
I dag dominerar dieselmotorer för bussar och lastbilar, medan bensinmotorer är vanligast för personbilar, även om andelen dieselmotorer ökar även för denna kategori. Även wankelmotorer och elmotorer förekommer. Hybridbilar innehåller minst två kraftkällor, till exempel elmotor och ottomotor.
Som drivmedel används för närvarande oftast bensin eller dieselolja. Men det förekommer även andra bränslen, exempelvis naturgas. Av särskilt intresse är den ökande användningen av olika typer av biobränslen, som exempelvis biogas, etanol och rapsmetylester (RME).
Forskning pågår även med målet att kunna använda vätgas som drivmedel, antingen som bränsle för kolvmotorer, eller med bränsleceller som försörjer elmotorer.
Kraftöverföring
Motorn alstrar en roterande rörelse som via en växellåda omvandlas till lämpligt varvtal och vridmoment på drivhjulen.
En bil med fyra hjul kan vara framhjulsdriven, bakhjulsdriven eller fyrhjulsdriven.
1923 Ford Model T Roadster
Växellådan är en del av drivlinan
(kraftöverföringen/transmissionen) mellan motor och drivhjul på motorfordon. Dess funktion är att ändra utväxling beroende på fart och kraftbehov. Detta sker vanligen med hjälp av olika kugghjulskombinationer i växellådan. Litet kugghjul mot stort minskar varvtalet (farten) men ökar dragkraften/vridmomentet och stort mot litet ökar varvtalet men med mindre dragkraft som följd. Det finns vanligen också en backväxel som växlar rotationriktningen så att drivhjulen driver bakåt. Backen är utväxlad för låg fart och högt vridmoment, vanligen motsvarande lägsta växeln framåt.
De två huvudtyperna av växellådor i motorfordon är den manuella växellådan och den automatiska växellådan.
Växelspak är ett reglage med vilken man kan välja mellan olika växellägen i växellådan. På fordon med automatisk växellåda benämns reglaget ofta växelväljare. Växelspaken eller -väljaren är idag som regel placerad på golvet eller kardantunneln (golvväxel), eller mer ovanligt på rattstången (rattväxel).
Huvudtyperna av bilväxellådor är den manuella och den automatiska växellådan.
Den manuella växellådan består av ett kugghjulspar per växel, där utväxlingsförhållandena är fördelade i lämpliga steg för att motorns vridmoment skall kunna utnyttjas effektivt genom hela fartregistret. Beroende på fart, belastning, och liknande väljer föraren manuellt en passande växel för stunden. Eftersom växellådan är en helt mekanisk konstruktion överför den kraft oavsett om motorn går, och medger därför t ex att fordonet kan bogseras igång vid behov.
I automatiska växellådor passerar istället motorns kraft genom ett antal planetväxlar på rad efter varandra. Utväxlingarna ändras här genom att man låser valda delar av solhjul, planethjul, och ringdrev inbördes med hydrauliskt manövrerade
friktionsband och kopplingar. Hydrauliken drivs av en pump på växellådans ingående axel, och det krävs därför att motorn är igång för att växellådan skall fungera och även smörjas korrekt. På grund av detta finns ofta restriktioner kring bogsering, och det är som regel heller inte möjligt att bogsera igång ett automatväxlat fordon.
En annan variant av automatisk växellåda (eg.
transmission) är:
CVT, även kallad Variomatic då den marknadsfördes av holländska DAF.
Kugghjul består ofta av metall och förekommer bland annat i urverk och andra maskiner. Deras uppgift är att överföra rörelseenergi mellan roterande axlar.
Man kan även ändra utväxling med hjälp av kugghjul. Ett mindre kugghjul som driver ett större ger lägre varvtal och ett större som driver ett mindre ger högre varvtal. Med vridmomentet förhåller det sig tvärtom; vridmomentutväxlingen är omvänt proportionell mot varvtalsutväxlingen.
Kugghjul började användas i Egypten c:a 300 år f. Kr. Dessa bestod av trä. Kugghjul av järn började tillverkas på 1500-talet.
Kuggarna på ett kugghjul kan vara:
Manuell växellåda tillverkad av Ford.
Volvo Amazon från 1970.
· Raka; kuggarna är parallella med hjulets axel.
· Sneda; kuggarna bildar en vinkel mot hjulets axel (ett specialfall är dubbel snedkugg, även kallad pilkugg, där hjulet har dubbla banor med snedkugg som lutar åt motsatt håll).
· Bågformad kugg.
Kuggarna på ett kugghjul kan vara:
· Utvändiga (det vanliga).
· Invändiga (förekommer i planetväxellådor).
En planetväxel används här för att öka utgående hastighet. Planetbäraren (grön) drivs av ett ingående moment. Planethjulen (blå) överför utgående moment till solhjulet (gult), eftersom
ringhjulet hålls låst. De röda märkena visar lägena före och efter att planetbäraren har vridits ca 30°
medurs.
En planetväxel är ett sammansatt transmissionsystem, bestående av flera olika
transmissionselement, vanligen i form av kugghjul. Den består då av ett eller flera yttre kugghjul, planethjul, som roterar omkring ett centralt kugghjul, ett inre solhjul. Vanligen är planethjulen monterade på en rörlig bärare, som i sin tur kan rotera i förhållande till solhjulet på en egen axel, koncentrisk med solhjulets axel. En planetväxel kan dessutom också inkludera ett yttre solhjul i form av en kuggring, ett ringhjul. Alla kuggelement är ständigt i kontakt, men de olika axlarna kan i vissa utföranden låsas individuellt för att uppfylla olika utväxlingsändamål. Planethjulets rörelse kring solhjulet är epicyklisk, därav namnet planetväxel.
Det kan vara svårt att överblicka alla möjliga utväxlingar (och tillhörande momentfördelningar) som kan erhållas från en planetväxel, eftersom det finns många sätt för en ingående rotation att överföras till en utgående rotation. De tre grundläggande komponenterna, var och en på sin egen centralaxel, i en vanlig planetväxel är:
· Solhjul: det inre, centrala kugghjulet
· Planetbärare: håller minst ett, vanligen tre eller flera, kugghjul som roterar runt solhjulet
Planetväxel
· Ringhjul: ett yttre solhjul med inåtvända kuggar, i kontakt med planethjulet (-hjulen) I många tillämpningar är en av de tre komponenterna stationär, medan en av de två övriga komponenterna förmedlar ingående rörelse som utgör drivande kraft till systemet. Den tredje komponenten förmedlar då utgående kraft och rörelse från systemet. Den resulterande utväxlingen beror dels på antalet kuggar i varje del av systemet, dels på vilken (om någon) av axlarna som hålls låst.
Elförsörjning och elektronik
Bilmotorn driver en generator som omvandlar rörelseenergi till elektrisk energi. Denna energi lagras i bilbatteriet och används för elförsörjning av startmotor, tändning, bränslepumpar et cetera.
Batteriet levererar också el till hjälpsystem som strålkastare och vindrutetorkare. Bilar hade tidigare (tidigt 60-tal) ofta en likströmsgenerator, men numera i allmänhet en växelströmsgenerator som laddar även vid låga motorvarvtal. Orsaken till att en växelströmsgenerator laddar bättre vid låga motorvarvtal är att det är lättare att få en växelströmsgenerator att tåla höga varvtal. En
växelströmsgenerator kan därför förses med liten remskiva så att generatorn får högt varvtal redan vid låga motorvarvtal. I växelströmsgeneratorer sitter dioder som likriktar strömmen eftersom endast likspänning kan användas för att ladda batteriet.
Tidigare var det vanligt att bilar hade elsystem med 6 volts spänning, men efter 1960-talet har de flesta bilar elsystem på 12 volt, som är effektivare på grund av bland annat lägre spänningsfall (mindre förluster). I framtiden kan spänningen komma att höjas ytterligare.
Ottomotorer behöver en gnista för att bränsle-luftblandningen ska antändas. Antändningen sker vanligtvis genom att spänningen från bilens elsystem transformeras upp i en tändspole, så att spänningen blir tillräckligt hög (Över ca 10 000 volt) för att en cirka 1 mm lång gnista skall skapas, som i sin tur i tänder bränsle-luftblandningen.
Säkerhet
Även om de första bilarna, som i stort sett saknade säkerhetssystem, hade färre olyckor per
personkilometer än hästfordonen har de i dag kommit att stå för en stor del av olyckorna i världen. Bilolyckor dödar ungefär en miljon människor om året i hela världen.
Bilsäkerheten har med åren förbättrats mer och mer, några exempel på utvecklingen är:
· deformationszon
· krockkudde
· säkerhetsbälte
· antisladdsystem
Miljöpåverkan
Successivt har kraven skärpts när det gäller utsläpp av miljö- och hälsofarliga avgaser (emissioner).
För bensindrivna motorer består avgaserna huvudsakligen av:
· Kolmonoxid (CO)
BMW cabriolet
· Kväveoxider (NOX)
· Kolväten (HC)
· Koldioxid (CO2)
Genom att utnyttja katalysatorer (av trevägs-typ) i avgassystemet, samt reglera bränsleblandningen i motorn så att förbränningen blir optimal (lambda=1) kan halterna av kolväten, kolmonoxid och kväveoxider reduceras avsevärt. Införandet av denna teknik har, jämte övergång till blyfri bensin, inneburit ett stort utvecklingssteg ur miljösynpunkt. De kvarstående problemen är huvudsakligen utsläpp av koldioxid, vid utnyttjande av fossila bränslen, men även kallstartegenskaper (den tid som behövs innan katalysatorn uppnått driftstemperatur och därmed renar avgaserna) samt utsläpp av partiklar och ozon. Genom att utnyttja biobränslen blir nettotillskottet av koldioxid till atmosfären reducerat (men ej eliminerat i de fall då bränsleproduktion och distribution innebär utnyttjande av fossila bränslen).
Dieselmotorer har bättre verkningsgrad jämfört med otto-motorer (särskilt vid låg last) vilket gör att bränsleförbrukningen, och därmed koldioxidutsläppen, är lägre - typiskt 20 procent lägre jämfört med motsvarande bensinmotor. Även utsläpp av kolväten och koloxid blir låga, men de mest svårbemästrade komponenterna i avgaserna är:
· Kväveoxider (NOX)
· Partiklar
Med katalysatorer, förfinad bränsleinsprutning (med högt tryck) och avancerade styrsystem för
sekvensstyrning av bränsleinsprutningen kan
emissionerna reduceras. Partikelfilter används för att komma ned till acceptabla nivåer av partikelutsläpp.
Motorer som drivs med biogas eller naturgas ger i allmänhet lägre nivåer av hälso- och miljöfarliga avgaser, jämfört med motorer som drivs med bensin eller dieselolja.
Motorer som drivs med vätgas släpper enbart ut vattenånga, vilket gör detta till ett mycket intressant alternativ i framtiden. För närvarande återstår en del problem att lösa för att tekniken skall bli praktiskt användbar och ekonomisk, inte minst när det gäller produktion och distribution av vätgas.
Saab 9-5 kombi.
