Проекты

Справедливое распределение усилий

Справедливое распределение усилий 1

Полный привод автомобиля — изобретение далеко не новое, и даже, некоторым образом, очевидное. В конце концов, сдублировать ведущий мост — дело не слишком сложное. Другое дело, что долгое время полный привод воспринимался исключительно как средство преодоления бездорожья и был уделом специализированной и военной техники. Начиная с бессмертного «Виллиса» росло и множилось племя настоящих суровых внедорожников, которые отважно месили грязь всеми четырьмя колесами сразу. И кто мог предположить, что когда-нибудь полный привод появится даже на представительских седанах?

Идея полного привода для легковой машины носилась в воздухе давно, и определить, кто первый воплотил её в металле, не представляется возможным. Ещё в начале прошлого века постоянный полный привод был у гоночного автомобиля голландской фирмы Spyker. Jensen FF, который появился в 1966

году, тоже был оснащён полным приводом, но автомобиль этот не имел никакого коммерческого успеха. Эра полного привода на легковых автомобилях массового производства началась лишь с появлением Audi Quattro.

Перелом в сознании конструкторов произошел, вероятно, в 1977 году на гонках в Финляндии, когда против 170-сильного переднеприводного Audi 200 вышел 75-сильный внедорожник Iltis. Проигрывая на прямых, Iltis легко догонял и обгонял более мощную машину в поворотах. До этого Audi традиционно производила переднеприводные машины, весьма ценимые покупателями за хорошую управляемость, но преимущество полного привода оказалось очевидным. Отставание было недопустимо! Тем более что компоновка Audi, с её продольным расположением силового агрегата, идеально подходила для полного привода. Доработки потребовала лишь коробка передач: был установлен центральный дифференциал и привод задней оси. Незначительность изменений обеспечила конструкции простоту, малый вес и небольшие механические потери. И уже в марте 1980 года стенд «Ауди» на Женевском автомобильном салоне, благодаря представленному на нем новому полноприводному спортивному купе, стал настоящей сенсацией. Впервые легковой автомобиль предлагался с концепцией привода, использовавшегося до сих пор только в грузовых автомобилях и внедорожниках.

Система quattro оказалась настолько удачным решением, что преимущество Audi в ралли моментально стало явным. Организаторы соревнований были вынуждены добавлять полноприводным машинам весовой гандикап, то есть увеличивать минимальный разрешённый вес из-за использования агрегатов, дающих

преимущество перед другими автомобилями этого же класса. Никто не хотел смотреть, как остальные участники бессильно глотают пыль в хвосте Audi quattro! И уже через несколько лет полный привод перестал быть монополией «Ауди»  — сначала в спорте, а потом и на обычных дорогах.

Постоянный или подключаемый?

Полный привод в легковом автомобиле может быть реализован разными способами. Главная дилемма — постоянный (Full-Time 4WD) или подключаемый (Part-Time 4WD)? Постоянный полный привод отличается от подключаемого наличием в нем межосевого дифференциала, который позволяет передним и задним колесам вращаться на поворотах с разными угловыми скоростями. Подключаемый полный  привод — это система, в которой нет межосевого дифференциала, привод здесь осуществляется постоянно только на задние колеса, передние подключаются при езде по бездорожью. Преимущество подключаемого привода в том, что в обычных дорожных условиях автомобиль остается моноприводным, сохраняя привычную для водителя управляемость; ну, а полный привод используется только при пробуксовке ведущей оси. Первым конструктивным решением для реализации этого принципа стала вязкостная муфта (вискомуфта). Это устройство, в корпусе которого находится специальная силиконовая жидкость, меняющая свою вязкость от нагрева. Пока разница в скорости вращения между осями невелика, жидкость оставляет узел «свободным», но стоит появиться пробуксовке, как она «схватывается», передавая часть крутящего момента на вторую ось.

Справедливое распределение усилий 2

Lamborghini Murcielago имеет нетрадиционный для суперкаров полный привод. На его легендарном предшественнике — Lamborghini Diablo — полный привод начали устанавливать с 1994 года. Фото: Automobili Lamborghini Holding S.p.A.

Вискомуфту в трансмиссии можно применять двояко — так, некоторые производители использовали в паре с ней обычные дифференциалы. Вискомуфта нужна в этом случае как устройство автоматической блокировки дифференциала. Такая схема была, например, в трансмиссии Mitsubishi Eclipse GSX, полноприводных «Субару» с ручной коробкой передач, а также в BMW325ix и полноприводной Toyota Celica Turbo. Это для постоянного полного привода. А вот та же Audi в процессе разработки системы quattro пыталась использовать вискомуфту совершенно другим образом. В их схеме автоматически подключаемого полного привода муфта использовалась не вместе, а вместо центрального дифференциала. В этом случае автомобиль в основном имеет передний привод и лишь при проскальзывании колес передней оси вискомуфта начинает передавать часть крутящего момента на заднюю ось, и автомобиль становится полноприводным.

Audi от этой схемы отказалась практически сразу — ведь она работала лишь на снегу или в грязи. Но разработка не пропала даром — пригодилась Volkswagen, который выпустил на рынок полноприводную схему Syncro. Впрочем, простота этой схемы привела к тому, что она использовалась большим количеством производителей в огромном диапазоне моделей — от минивэнов до такой экзотики, как Porsche 911 Turbo, Carrera 4 и Lamborghini Diablo VT. Однако практика показала, что простота и дешевизна вискомуфты были единственными её достоинствами. Недостатков оказалось куда больше…

Во-первых, вискомуфта блокируется слишком резко, и крутящий момент может оказаться на передних колесах совершенно неожиданно для водителя. Представьте себе — вы заходите в скользкий поворот на переднеприводном автомобиле, начинается вполне ожидаемый снос передней оси наружу, который водитель привычно компенсирует сбросом газа. И тут вискомуфта, обнаружив пробуксовку, неожиданно подключает заднюю ось, причем без межосевого дифференциала! Поведение автомобиля кардинально меняется в самый неприятный момент — снос сменяется заносом,  и далеко не всякий водитель с этим справится. Такие фокусы с управляемостью понравятся не каждому. Кроме того, использование вискомуфты связано с рядом других конструктивных сложностей. Так, например, АБС определяет начало блокировки одного из колес по разнице скоростей вращения, и наличие в трансмиссии механизма, который пытается выровнять скорости всех четырех колес, создает серьезные проблемы. Для того, чтобы это обойти, приходилось либо отказываться от АБС, либо идти на всякие хитрости — так, в системе VW Syncro полный привод при нажатии на педаль тормоза просто отключался посредством второго сцепления.

Справедливое распределение усилий 3
Volkswagen Passat Variant 4MOTION. Постоянный полный привод. Фото: Volkswagen AG

В общем, первые системы quattro были построены по схеме постоянного полного привода с тремя свободными (неблокирующимися) дифференциалами и равномерным (50:50) распределением тяги по осям. Это давало очевидное преимущество — при равномерном распределении мощности автомобиль в повороте может противостоять большим боковым перегрузкам и способен проходить повороты быстрее и безопаснее.

Следующим принципиальным скачком в технологии quattro стало применение механического самоблокирующегося дифференциала типа Torsen (от англ. torque sensing — «чувствительный к крутящему моменту»), который обеспечивает ограниченное проскальзывание между осями. Если же колеса осей начинают вращаться с разными скоростями, дифференциал Torsen передает больший (до 75%) момент на ось, способную его реализовать. Долгое время Torsen был обязательным для quattro решением, но в этом году стало известно, что новые «Ауди» будут оснащать более прогрессивной системой полного привода с электронно-гидравлическим сцеплением. Благодаря электронике можно будет разделять в необходимых пропорциях крутящий момент не только между передней и задней осью, но и между задними колесами по отдельности.

Полный привод: вариации на тему

Одной из самых ярких звезд, точнее целым созвездием, стала японская марка Subaru. Знаковый период — сотрудничество с британской компанией Prodrive, — в истории Subaru начался с 1990 года. Концерн принял решение участвовать в автоспорте, и Prodrive начала готовить автомобили Subaru к соревнованиям. Уже в том же году Legacy выиграла Safary Rally в группе «N». А в 1992 году появляется Impreza, ставшая буквально легендой мирового ралли. Полный привод на автомобилях концерна стал буквально фирменным знаком — «Subaru» и «полный привод» до сих пор воспринимаются как синонимы. Но немногие знают, что технически это реализовано на разных моделях по-разному. Первый вариант — Active Torque Split AWD. Это фактически передний привод, без межосевого дифференциала, а подключение задних колес осуществляется гидромеханической муфтой с электронным управлением. Этот вариант издавна устанавливается на многие Subaru (с АКПП типа TZ1) и широко известен ещё по Legacy образца 1989 года. В общем, тот же самый принцип TOD Torque on Demand, который был позже реализован и на машинах Toyota, однако субаровская схема имеет некоторые преимущества в рабочем алгоритме. Пусть и небольшой, но момент при работе A-AWD передается назад постоянно, а не только при пробуксовке передних колес — это полезнее и эффективнее. Кроме того, в отличие от систем с вискомуфтой, описанных выше, гидромеханика перераспределяет усилие гораздо точнее. У машин с вискомуфтой существует опасность резкого самопроизвольного включения заднего привода в повороте с последующим неуправляемым полетом, а у A-AWD такая вероятность хоть и не исключена полностью, но значительно снижена.

Справедливое распределение усилий 4
С 2006 года для Impreza WRX STI в центральный дифференциал DССD помимо электромагнитной муфты LSD установливается ещё и «моментная», эксцентрикового типа. Конструкторы изменили основное распределение крутящего момента между передними и задними колесами с 35:65 на 41:59. В результате автомобиль приобрел более высокий уровень стабильности и маневренности. Фото: Subaru of America, Inc

Впрочем, и дешевая схема с вискомуфтой японцами тоже не забыта, но применяется на младших моделях концерна с вариаторными коробками (вроде Vivio и Pleo). Называется эта схема V-Flex — постоянный передний привод и подключаемый вискомуфтой при пробуксовке передних колес задний мост.

Однако самый популярный вариант — VTD AWD. Это постоянный полный привод с несимметричным межосевым дифференциалом (45:55), плюс блокировка гидромеханической муфтой с электронным управлением. Схема VTD (Variable Torque Distribution) применяется на менее массовых версиях, наиболее мощных в гамме, таких как звезда ралли — Impreza. Естественно, до совершенства эта схема доведена на «боевых» раллийных машинах. Полноприводная система раллийной «Импрезы» распределяет крутящий момент двигателя между осями с помощью трех активных дифференциалов. Принцип их действия несколько напоминает многодисковое сцепления — по команде компьютера или пилота степень прижатия дисков изменяется при помощи гидравлики, меняясь от «свободного» до полной блокировки. Это обеспечивает машине потрясающую свободу управления на любом покрытии.

Не отстают от японцев в деле полного привода и имеющие традиционно спортивный дух BMW. Баварская система полного привода называется xDrive и имеет некоторые любопытные особенности. В отличие от систем полного привода с жестким распределением тяги, xDrive реализован многодисковой муфтой с электронным управлением, что обеспечивает бесступенчатое переменное распределение крутящего момента между передними и задними колесами. Система распознает момент, когда необходимо перераспределить тягу, и реагирует в течение короткого промежутка времени — как правило, ещё до начала пробуксовки одного из колес. В результате на каждое колесо направляется именно тот момент, который необходим для максимального сцепления с дорогой. Центральным элементом xDrive является раздаточная коробка. Подключенная за механической коробкой или «автоматом» она распределяет крутящий момент между передней и задней осями. На практике это выглядит так: с задней осью у коробки имеется жесткая прямая связь. Оттуда с помощью многодисковой муфты осуществляется отбор необходимого момента, который направляется на переднюю ось и передается через двухступенчатую цилиндрическую зубчатую передачу. Само перераспределение плавно осуществляется в диапазоне от 50:50 процентов до 0:100 процентов. В крайнем случае, возможно полное разъединение передней и задней осей или их жесткая связь друг с другом. Причем технически эта система реализована удивительно просто — маломощный электромотор, за ним два понижающих редуктора, червячный и планетарный, потом эксцентрик, который, поворачиваясь, смещает длинный рычаг. А тот, в свою очередь, зажимает пакет фрикционов, подключая привод на передние колеса. Вся хитрость тут в электронике, которая подключает переднюю ось без всякого участия водителя. Например, муфта «экс-драйва» полностью выключена во время парковочных маневров и при скорости свыше 180 км/ч.

Справедливое распределение усилий 5
Система xDrive на машинах BMW осуществляет бесступенчатое и переменное перераспределение крутящего момента между передними и задними колесами, тем самым сводя к минимуму недостаточную или избыточную поворачиваемость автомобиля. Кроме того, xDrive обеспечивает лучшую тягу на дорогах без твердого покрытия и на скользких участках. Фото: BMW AG

Однако полный привод сегодня присущ не только традиционно «спортивно ориентированным» машинам BMW и Subaru, но и такому традиционно консервативному автомобилю, как Mercedes. Собственная «мерседесовская» система 4Matic имеет достаточно несложную техническую концепцию: полный привод — постоянный, межосевой дифференциал — несимметричный планетарный, отбор мощности на переднюю ось — шестеренчатый. Однако на деле все не так просто! Распределение крутящего момента в 4Matic несимметричное, с соотношением 40:60 или 45:55 в пользу задней оси, однако передаточное число остается фиксированным — в отличие от BMW-шного xDrive. Это придает машине столь ценимую владельцами «Мерседесов» предсказуемость поведения — автомобили с плавающим распределением момента один и тот же поворот проходят каждый раз по разному, а 4Matic раз за разом четко прописывает одну и ту же траекторию. Но главный фокус тут в электронной системе управления трансмиссией — 4ETC, и системе стабилизации ESP. Полный привод позволяет дольше удерживать траекторию на скользком покрытии, но если он сорвался в занос, вернуть его на прямую много сложнее — однако, это не касается «Мерседесов». Если какое-либо колесо начинает пробуксовывать, 4ETC подтормаживает его, помогая реализовать крутящий момент на колесах, а система ESP включается при уходе авто с траектории и помогает моментально стабилизировать машину. Это дает возможность легко держать автомобиль под контролем на любом покрытии — «спортивное руление» владельцу «Мерседеса» как-то не к лицу…

Таким образом, сегодня системы полного привода во всем их многообразии уверенно завоевали легковой сектор автомобильного рынок. Сейчас буквально каждый водитель знает, что четыре ведущих всяко лучше двух, и это верно не только для внедорожников. Впрочем, традиционные взгляды на автомобиль приходится пересматривать все чаще и чаще — иногда свирепый с виду «джип» оказывается моноприводным, а спортивное купе «гребет всеми четырьмя»… Это и называется «прогресс»!

7 комментария к записи Справедливое распределение усилий

  1. cynicanonimus.livejournal.com 22.06.2009 в 12:47 #

    Спасибо, док!

    • Semiurg 22.06.2009 в 12:50 #

      За что это? 🙂

  2. cynicanonimus.livejournal.com 22.06.2009 в 13:10 #

    За информативный и интересный рассказ.

    • Semiurg 22.06.2009 в 13:51 #

      На здоровье 🙂

  3. ximik-nti.livejournal.com 22.06.2009 в 13:35 #

    Я не понимаю рассказа о приводе без схем тех самых передач. И как можно хвастаться пониманием механики привода без знания схем и устройства передач.

  4. DiVersant 17.09.2014 в 6:35 #

    О первых серийных полноприводных легковушках:
    Возможно, это Mercedes-Benz G5 (W152), выпускавшийся с 1937?

  5. Андоей 28.08.2015 в 20:48 #

    Очень хорошая статья ! Огромное спасибо.