Полный привод

Вплоть до начала 1980–х использование схемы с четырьмя ведущими колесами не на внедорожниках, где иначе никак нельзя, а на обычных легковых машинах считалось событием из ряда технических курьезов. Ведь полноприводная трансмиссия требует введения в конструкцию новых узлов, что делает автомобиль более тяжелым, шумным и вибронагруженным.

Усложнение конструкции увеличивает производственные издержки, что отражается на стоимости полноприводного автомобиля. В свою очередь, потребуют больших затрат обслуживание и ремонт такой машины. Автомобили со всеми ведущими колесами потребляют больше горючего, чем их аналоги с приводом на одну ось – сказываются увеличение общего веса машины и механические потери в дополнительных агрегатах трансмиссии.

Но автомобилестроение не стоит на месте. Современные автомобили обладают большим запасом мощности, и на старте при резком нажатии на педаль газа сил сцепления одной пары колес с дорожным покрытием может не хватить. Ведущие колеса буксуют, проскальзывают, избыток тяги уходит вместе с дымом сгоревшей «резины». А распределение тягового усилия не на два, а на четыре колеса и возможность использовать весь вес машины в качестве сцепного уменьшают вероятность пробуксовки вдвое и гарантируют впечатляющее стартовое ускорение. К тому же полный привод обеспечивает лучшую управляемость и курсовую устойчивость автомобиля в движении, особенно на скользких дорогах, позволяет водителю увереннее и быстрее проходить повороты.

Толчок к развитию дорожных полноприводных автомобилей дала Ауди своей моделью Quattro. Ее популярность потребовала адекватных шагов от других производителей автомобилей, и модельные ряды даже семейных машин начали стремительно полниться версиями 4х4 – и все они находили своих почитателей. Subaru и вовсе сделала полный привод фирменной «фишкой», и со временем полноприводными стали все автомобили, выпускаемые этой японской компанией.

Заслуга инженеров Ауди в том, что им удалось разработать легкую и компактную конструкцию, в которой на основе переднеприводной компоновки отбор крутящего момента к задним ведущим колесам осуществлялся непосредственно от встроенного в коробку передач межосевого дифференциала. Правда, этому дифференциалу требовалась блокировка, но внедрение самоблокирующихся вискомуфт и дифференциалов трения (вроде конструкции Торсена, использующей способность винтовых шестерен к самоторможению) сняло эту проблему. Легковые автомобили 4х4 освободились как от дополнительных рычагов механической блокировки, что их салоны отнюдь не украшало, так и от рывков, сопровождавших блокировку дифференциала, если она осуществлялась механическим способом.

Вискомуфты, кстати, не только освободили автомобили от лишних рычагов и рывков, но и позволили плавно перераспределять крутящий момент между осями в зависимости от конкретной обстановки, в которой оказывается любое колесо автомобиля в каждый определенный момент времени. Впрочем, вискомуфты оказались не без «закидонов». С появлением ABS вискомуфты начали «конфликтовать» с этими системами, вмешиваясь в их работу и корректируя ее только в худшую сторону.

Первым ABS начал внедрять Mercedes–Benz, ему первому и пришлось ломать голову над тем, как «утихомирить» вискомуфту. Благо к этому времени уже был создан межосевой дифференциал Фергюсона с автоматической блокировкой, управляемой электроникой. Внутри этого дифференциала располагалось многодисковое сцепление, включаемое, когда разность скоростей вращения колес достигала определенного значения. Команда на блокировку поступала от микропроцессора, который в своей работе использовал сигналы от трех датчиков скорости колес- тех же, что применялись в системе ABS.

Автоматически блокируемый дифференциал позволил облегчить трогание автомобиля с места, прежде всего, на скользких дорогах, улучшить управляемость на высокой скорости при движении в поворотах и при этом нисколько не влиял на эффективность ABS, потому что отключался при любом нажатии на педаль тормоза.

В основе системы полного привода автомобилей “Фольксваген” 4-Motion – муфта Халдекс, представляющая собой многодисковое сцепление, управляемое электроникой. В пользу муфты Халдекс отказывается от вискомуфты и «Volvo».

BMW разработала собственную систему полного привода xDrive, не имеющую никаких блокировок. Управляет полным приводом BMW электроника, точнее- системы ABS, ASC+T, DSC и ADB–X. Важно то, что первые три системы используются на заднеприводных версиях BMW, то есть являются стандартными. По большому счету, потребовалось лишь расширить программное обеспечение этих систем, чтобы оно соответствовало полному приводу.

Роль первых скрипок в системном «квартете» играют DSC — Dynamic Stability Control, и ADB–X — Automatic Differential Brake (судя по второму техническому термину, дифференциал в системе 4х4 BMW все же есть, но на самом деле речь идет всего лишь об его имитации с помощью тормозов). От DSC поступают все команды, идущие тормозам, ADB–X распознает, когда колесо начинает проскальзывать, и притормаживает его, обеспечивая тем самым тот же эффект, что и блокировка дифференциала.

Водитель узнает, что система достигла некоего критического режима в работе (иными словами, что колеса начинают терять сцепление с дорогой) и ADB–X вступила в действие, с помощью мигающего индикатора на приборной панели. Передоверив функции управления полным приводом электронике, компании BMW удалось добиться не только уменьшения веса и упрощения схемы трансмиссии, но и оптимизировать работу тормозной системы, где теперь каждое колесо получает строго дозированное тормозное усилие и не вмешивается в торможение «соседей», как это происходит в полном приводе с обычными блокировками.

Инженеры компании Mercedes не стали идти по проторенной дорожке и изобрели свою трансмиссию с автоматически подключаемым полным приводом, которую назвали 4 Matic. Принцип ее работы заключается в следующем: на сухом покрытии ведущими являлись задние колеса, а при их пробуксовке центральный компьютер через гидравлический привод включает многодисковое сцепление и перераспределяет крутящий момент на передние колеса. Материал, из которого изготавливались фрикционные накладки дисков, не боится пробуксовки, а как раз благодаря пробуксовке и может работать применяемое в подобных схемах многодисковое сцепление. Электронная система через гидропривод изменяет степень прижимания дисков друг к другу, постепенно перебрасывая крутящий момент к оси, колеса которой обладают лучшим сцеплением с дорогой. Такой агрегат называется гидромеханической муфтой.

Устройство и разновидности

Для начала выясним основные принципы работы полного привода. Пожалуй, самым главным узлом в нем является дифференциал. Для того чтобы обеспечить разную частоту вращения ведущих колес, применяется межколесный дифференциал, а приводных валов- межосевой. Дифференциалы можно классифицировать как симметричные и несимметричные, свободные и блокируемые. В симметричных крутящий момент распределяется между полуосями поровну, а в несимметричных неодинаково.

В основном межколесный дифференциал симметричный, а вот межосевой бывает как симметричным, так и несимметричным. Свободный дифференциал не препятствует полуосям или приводным валам вращаться с разными угловыми скоростями, а в блокируемом дифференциале можно ограничить такую независимость. Итак, для нормальной работы постоянного полного привода в трансмиссии должно быть два межколесных и один межосевой дифференциал.

Первые полноприводные автомобили оснащались достаточно простыми блокировками межосевого и заднего межколесного дифференциалов, которые можно было задействовать с места водителя, нажав соответствующие кнопки. Однако вскоре выяснилось, что при выезде на асфальт водители частенько забывали отключить блокировки, вследствие чего трансмиссия буквально рассыпалась на глазах. Тогда инженеры серьезно задумались об автоматической системе подключения механизма блокировки. В результате появилась вязкостная муфта (вискомуфта).

В этом устройстве для снижения разницы в скоростях вращения приводных валов до минимума используется силиконовая жидкость. Как только одно из колес начинает проскальзывать, вязкость силиконовой жидкости в результате нагревания резко возрастает, что приводит к соединению дисков вискомуфты, следовательно, к вращению приводных валов приблизительно с одинаковой скоростью, т. е. к блокировке дифференциала. Обычно использовали комбинацию из свободного межосевого дифференциала и вискомуфты, которые играли роль блокирующего устройства и автоматически включались в определенных условиях.

Другим устройством для блокировки явился дифференциал повышенного трения типа Torsen. При движении по асфальту дифференциал Torsen распределяет крутящий момент между осями поровну. Но стоит только колесам одной оси начать проскальзывать, крутящий момент перебрасывается на ту ось, колеса которой имеют лучшее сцепление с покрытием. В пределе соотношение крутящих моментов, передаваемых на оси, может достигать 20:80. Но есть еще некоторые детали, делающие Torsen более предпочтительным, чем вискомуфта.

Torsen – устройство чисто механическое, что позволяет ему предотвращать пробуксовку, в отличие от вязкостной муфты, где на разогрев силиконового вещества и его застывание требуется некоторое время, и в результате вискомуфта способна лишь реагировать на потерю сцепления и исправлять уже сложившуюся ситуацию.

С разработкой муфты “Haldex” был сделан рывок в создании современного полного привода. Муфта “Haldex” регулируема. Посредством компьютера удалось в процессе регулирования работы муфты учитывать дополнительную информацию. Теперь проскальзывание не является единственным решающим фактором распределения тягового усилия; на это оказывают влияние также динамические параметры движения автомобиля. Посредством шины данных CAN компьютер получает информацию от датчиков частоты вращения колес системы АБС и от системы управления двигателем (сигнал от датчика положения педали акселератора).

Таким образом, в компьютер поступает вся необходимая информация о скорости, параметрах движения в поворотах, режимах тяги и торможения двигателем, что дает возможность компьютеру оптимально реагировать на изменения режимов движения. Муфта размещена на картере главной передачи и имеет привод от карданного вала. Крутящий момент от двигателя передается через коробку передач, главную передачу передней оси и привод передней оси на карданный вал.

Карданный вал связан с входным валом муфты. В муфте “Haldex” разъединяется жесткая связь между входным валом и выходным валом на главную передачу задней оси. Передача крутящего момента на главную передачу задней оси может быть осуществлена только через сжатый пакет дисков муфты “Haldex”. Управление муфтой (пакетом фрикционов) осуществляется посредством передачи рабочего давления электромаслонасоса блоком электрических клапанов.

Преимущества муфты “Haldex”
• постоянный полный привод с электронным регулированием многодисковой муфты;
• сохранение достоинств переднего привода;
• отсутствие повышенных напряжений в трансмиссии при парковке и маневрировании;
• отсутствие критической чувствительности к наличию различных шин (например, аварийного колеса);
• отсутствие ограничений при буксировке с вывешенной осью;
• возможность неограниченной сочетаемости с системами ABS, ASR, EDS, ESP.

В качестве примера современной системы полного привода рассмотрим xDrive. В ее основе – многодисковое сцепление, которое управляется контролируемым электроникой электроприводом. В зависимости от необходимости он менее чем за 100 миллисекунд сжимает или разжимает диски сцепления, перераспределяя крутящий момент между осями. Электронное управление привода получает сигналы от тех же датчиков, что и система DSC: поворота рулевого колеса, оборотов двигателя, вращения вокруг вертикальной оси и т. д.

Полученная информация используется системой для определения необходимости перераспределить крутящий момент. Таким образом, главным достоинством xDrive является ее способность изменить распределение момента по осям не в ответ на пробуксовку колес или начало заноса, а с упреждением. В нормальных условиях момент распределяется между передней и задней осями в соотношении 40/60. А в случае необходимости (для корректировки заноса, при троганье с места на поверхностях с разными коэффициентами сцепления) на любую из осей может быть передано до 100% момента. Роль межколесных блокировок выполняет система DSC, подтормаживая буксующее колесо. Срабатывает xDrive быстрее, чем исполнительные механизмы системы стабилизации движения.

При прохождении поворотов, в зависимости от дорожных условий, автомобиль может демонстрировать недостаточную или избыточную поворачиваемость. Бороться с этим явлением призвана система DSC, которая корректирует обороты двигателя и подтормаживает одно или несколько колес, возвращая автомобиль на правильную траекторию. Если машина оборудована xDrive, то еще до срабатывания DSC система полного привода динамически перераспределяет крутящий момент на нужную ось: в случае недостаточной поворачиваемости – на заднюю, избыточной – на переднюю. Причем если в процессе прохождения поворота поворачиваемость превращается из избыточной в недостаточную, xDrive корректирует этот процесс.

При троганьи с места, в зависимости от коэффициента сцепления поверхности, еще до начала пробуксовки момент полностью перебрасывается на ось с лучшим сцеплением. В этом случае все 100% мощности используются для ускорения автомобиля. Оборудованный лишь DSC автомобиль в подобной ситуации сначала пробуксует, затем система заблокирует задний мост и для троганья будет задействовано всего 38% тяги, которую получает передняя ось.

При движении по сильно пересеченной местности, предполагающей вывешивание колес, xDrive мгновенно перебрасывает большую часть момента на мост, оба колеса которого твердо стоят на земле. Часть момента остается и на оси, одно из колес которой вывешено. В этом случае роль межколесных блокировок выполняет система DSC, тормозящая вывешенное колесо.

Типы и особенности систем полного привода

Постоянный полный привод. В такой трансмиссии крутящий момент от двигателя передается на все колеса. Правда, в процессе ее создания возникла одна проблема, которая не позволяла инженерам позаимствовать технические решения у обычных вездеходов. Дело в том, что у настоящих «джипов» связь между передней и задней ведущими осями – жесткая, т.е. без дифференциала.

Если на автомобиле с такой трансмиссией ездить по дорогам с твердым покрытием, управляемость у него будет очень плохая, так как передние и задние колеса проходят разный путь, а следовательно, менее нагруженные из них стремятся к пробуксовыванию.Пришлось, помимо переднего и заднего межколесных дифференциалов, установить еще и третий – межосевой или, как его еще называют, центральный дифференциал.

В зависимости от его характеристик крутящий момент распределили между колесами передней и задней оси в необходимой пропорции. Тем не менее в таком виде полноприводная трансмиссия оказалась пригодна только для дорог с однородным дорожным покрытием. На скользкой дороге может возникнуть ситуация, когда весь крутящий момент двигателя будет передаваться на колесо, потерявшее сцепление с дорогой, и автомобиль не сможет сдвинуться с места. Причем шансов попасть в такую ситуацию у полноприводной машины в два раза больше, чем у передне- или заднеприводной. Эту проблему решили путем установки межосевого дифференциала повышенного трения или механизма автоматической его блокировки.

Автоматически подключаемый полный привод. В нормальных дорожных условиях такая трансмиссия работает как передне- или заднеприводная. Это позволяет автомобилям сохранять «фамильные» черты, свойственные тому или иному типу привода. А в экстремальных ситуациях, когда одно или два ведущих колеса теряют сцепление с дорогой и начинают пробуксовывать, крутящий момент перераспределяется и на колеса другой оси.

Конструктивно это осуществляется таким образом. Вал, который передает крутящий момент на ведущую ось, через специальную муфту связан с колесами другой оси. Муфта обычно устанавливается вместо межосевого дифференциала или в непосредственной близости к заднему мосту. В нормальных условиях движения муфта разблокирована, а в экстремальных ситуациях- блокирует и передает крутящий момент на колеса вспомогательной оси. В автомобилях с автоматически включаемым полным приводом применяются несколько типов муфт: уже упоминавшаяся вискомуфта, электронно-управляемые фрикционные муфты, гидравлические системы блокировки фрикционной муфты и т. д.

Системы с ручным включением полного привода. В отличие от «заряженных» версий легковушек со спортивным характером полный привод у внедорожников должен выполнять свою первозданную функцию – помогать передвигаться по дороге с плохим покрытием, где особенно не погоняешь. Такие трансмиссии, как правило, не имеют межосевого дифференциала, без которого не могут обойтись «легковушки» с постоянным полным приводом.

При включенном приводе четырех колес передняя и задняя ось в такой схеме имеют жесткую связь, а крутящий момент передается в соотношении 50:50. Но ездить в этом случае по скоростной магистрали с включенным полным приводом категорически запрещено. Во-первых возникает опасность проскальзывания колес, особенно в поворотах, во-вторых, детали трансмиссии (карданные валы, шестерни колесных дифференциалов и т.д.) испытывают большие перегрузки и если полный привод вовремя не выключить, поломок не избежать. Но все же водители иногда забывают это делать. Поэтому в некоторых схемах есть сигнализаторы или устройства автоматического отключения полного привода при движении с большей скоростью.

Как отличить внедорожник от “паркетника”?

Классический внедорожник, то есть автомобиль, предназначенный для эксплуатации в условиях тяжелого бездорожья, должен иметь следующие конструктивные особенности:

• раму;
• постоянный или подключаемый механически полный привод (именно механически, а не, например, через вискомуфту);
• неразрезные мосты;
• механическую блокировку межосевого и межколесного дифференциалов (причем, опять же, именно механическую, а не ее имитацию путем подтормаживания буксующего колеса);
• понижающую передачу;
• высокий дорожный просвет;

Механизмы блокировки межосевого дифференциала, подключения второй оси и управления понижающей передачей часто объединены в раздаточную коробку. Ее наличие — один из основных признаков настоящего внедорожника.

Хотя в последнее время эти постулаты подверглись пересмотру. Например, неразрезной мост уже не есть обязательный атрибут хорошего внедорожника, он скорее вынужденное зло. Просто независимая подвеска надлежащей надежности получается значительно дороже, чем неразрезная балка. Да и безрамных внедорожников становится все больше.

Кроссовер (в обиходе «паркетник») — это что-то среднее между обычным легковым автомобилем и внедорожником. Предназначен для эксплуатации по асфальту, грунтовым дорогам и легкому бездорожью. Имеет увеличенный дорожный просвет, полный привод (подключаемый автоматически, а не механически). Некоторые модели имеют только передний привод. Вот и все признаки, которые взяты от внедорожника. С обычными же легковыми автомобилями кроссоверы роднит несущий кузов, независимая подвеска колес. Да и вообще, кроссоверы создаются на платформе легковых автомобилей.

Стремление автопроизводителей создать и занять побольше «ниш» авторынка привело к созданию так называемых SUV (Sport Utility Vehicle). Это автомобили универсального назначения, имеющие некоторые атрибуты внедорожника (рама, понижающая передача, блокировки), но цельный мост только сзади, а передняя подвеска — независимая. Такие машины обладают неплохими характеристиками на шоссе и способны преодолеть достаточно серьезное бездорожье. То есть это еще не внедорожники, но уже и не «паркетники».

Как быть тем, кто хочет купить полноприводный автомобиль, но не знает, какому именно типу трансмиссии отдать предпочтение? Просто необходимо определиться, где и как преимущественно будет эксплуатироваться автомобиль. Если вы любитель скоростной езды, покупайте легковой автомобиль с постоянным полным приводом. Если вы любитель умеренной езды, но зимой хотите себя обезопасить от лишних проблем, покупайте автомобиль с автоматически включаемым полным приводом. Любителям охоты, рыбалки, поездок на дачу и отдыха на природе независимо от времени года следует ориентироваться на максимальный запас проходимости своих автомобилей. Этому соответствуют внедорожники с большим дорожным просветом, понижающим рядом передач и как можно большим числом блокировок дифференциалов (лучше всего трех).