Изучаем устройство современного автомобиля. Полный привод...

Введение

Полный привод прочно утвердился в сознании большинства водителей как синоним высокой проходимости автомобиля.
Современные автомобили обладают большим запасом мощности, и на старте при резком нажатии на педаль газа сил сцепления одной пары колес с дорожным покрытием, как правило, не хватает. 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. Однако трансмиссия 4х4 требует введения в конструкцию новых узлов, что делает автомобиль более тяжелым, шумным и вибронагруженным. Усложнение конструкции умножает производственные издержки, что отражается на стоимости полноприводного автомобиля. В свою очередь, потребуют больших затрат обслуживание и ремонт такой машины в эксплуатации. А еще при прочих равных условиях автомобили 4х4 потребляют больше горючего, чем их аналоги с приводом на одну ось,- сказываются увеличение общего веса машины и механические потери в дополнительных агрегатах трансмиссии. Проблемы достаточно серьезные, и 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.
Но в 1980 году появилась Audi–Quattro. Этот факт имел как минимум два следствия. Audi, пребывавшая до этого на правах, образно говоря, падчерицы у компании «Volkswagen», превратилась в марку мирового уровня и гордость немецкого концерна. Мировая же автомобильная промышленность неожиданно получила мощный импульс для дальнейшего развития. Дело не в том, что форсированная версия Audi–Quattro стала родоначальницей нового поколения суперскоростных автомобилей для раллийных гонок. Появление шоссейной модификации Quattro, благосклонно принятой рядовыми покупателями, потребовало адекватных шагов от других производителей автомобилей, и модельные ряды даже семейных машин из разряда «ширпотреб» 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.
Однако в чем заключался секрет Audi? Немецким инженерам 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.
«Audi» пошла своим путем, и в четвертой по счету версии Quattro использовался уже полный привод с межосевым дифференциалом Торсена и независимым подтормаживанием буксующего колеса. Однако на Audi–TT, как, впрочем, и на других автомобилях концерна «Volkswagen», оснащенных системой полного привода 4–Motion, появилась муфта Халдекс, в основе которой- многодисковое сцепление, управляемое электроникой. Нынче в пользу муфты Халдекс отказывается от вискомуфты и «Volvo». С 2000 года фирма BMW, применяющая колесную формулу 4х4 на некоторых модификациях своих автомобилей, сделала ставку на систему полного привода, 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 включал многодисковое сцепление и перераспределял 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. На практике система 4 MATIC работала не хуже, но и не лучше полноприводных трансмиссий конкурентов, а ее дороговизна и сложная конструкция скорее была минусом, чем плюсом.
 Но, думается, последнее слово в совершенствовании систем 4х4, предназначенных не для увеличения проходимости автомобиля, а для обеспечения его все более высоких скоростных возможностей, еще не сказано.

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), разработанная компанией FF Development. 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, который изобрела американская корпорация Gleason Corp. Дифференциал повышенного трения представляет собой механическое устройство, в котором блокировка происходит за счет трения поверхностей деталей (чаще всего сухарей и звездочек), изготавливаемых из особопрочных материалов. 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. Сейчас в межосеовом дифференциале применяется многодисковая муфта Халдекс. Система опознавания проскальзывания активизируется при наличии разности в частоте вращения передней и задней осей и затем распределяет тяговое усилие в необходимой пропорции между обеими осями.. На новых автомобилях семейства Гольф и Пассат муфта Халдекс встроена в редуктор заднего моста и управляется электроникой по специальной программе, учитывающей продольное ускорение, разность скоростей переднего и заднего мостов, нагрузку на двигатель, включенную передачу и другие параметры. Программа также участвует в работе системы ESP работает совместно с функцией EDS - электронной блокировкой дифференциала. Система реализует на всех режимах максимальную передачу крутящего момента на колёса и ни в чём не уступает, а во многом превосходит блокировку Torsen - например по управляемости с помощью электроники. Применявшаяся до последнего времени на автомобилях Фольксваген вискомуфта опознавала лишь одно проскальзывание, но не причины его возникновения.

С разработкой муфты "Haldex” был сделан гигантский 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. Новая муфта представляет собой компактный агрегат, который устанавливается на том же месте, где была вискомуфта, применявшаяся в прежнем приводе. 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

Это вискомуфта. На рисунке показаны пластины, прикрепленные к валам. Вискомуфта заполнена силиконовой жидкостью, которая обладает свойством застывать при нагреве и превращаться в жидкость при охлаждении. На этом свойстве силиконовой жидкости и построен принцип работы вискомуфты.	Так выглядит дифференциал Torsen, устанавливаемый на Mazda Miata. На фотографии хорошо видны валы с коническими подшипниками и боковые шестерни.
А это тот же Torsen в разрезе. Стрелками указаны направления распределения крутящего момента.	Многодисковое сцепление "Халдекс" с электронным управлением: 1 - управляющий блок; 2 - масляный фильтр; 3 - шестерня выходного вала; 4 - ведущие и ведомые диски сцепления; 5 - входной вал; 6 - рабочие цилиндры; 7 - регулировочный клапан; 8 - шаговый двигатель.

Типы и особенности систем полного привода

Как показывает практика, полный привод не всегда бывает полным. Это зависит от особенностей конструкции трансмиссии, дорожных условий и режима эксплуатации. Вступив на путь создания полноприводных легковых автомобилей, компании работали в нескольких направлениях и действовали сначала с оглядкой на стоимость нововведений. В результате появился целый ряд конструктивных схем полноприводных трансмиссий — Quattro, Syncro, 4Matic, 4Motion и   т. д. По принципу действия их можно объединить в три большие группы:
-постоянный полный привод;
-автоматически подключаемый полный привод;
-системы с ручным включением полного привода
Кстати, в аббревиатуру AWD и 4WD заложена информация о том, к какой группе относится тот или иной полноприводный автомобиль. AWD обозначается постоянный или автоматически включаемый полный привод, а 4WD — полный привод, включаемый и выключаемый вручную, т.е. водителем. Рассмотрим вкратце особенности каждой из трех схем.
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. Для этих целей широкое распространение получил самоблокирующийся механический дифференциал Torsen (от TORgue SENsing — чувствительный к моменту). При отсутствии пробуксовок он передает крутящий момент к передней и задней ведущим осям в пропорции 50:50, которая соответствует наилучшей устойчивости и управляемости. При появлении малейших признаков пробуксовки колес одной оси дифференциал Torsen срабатывает практически мгновенно и перераспределяет до 75% крутящего момент на колеса, которые не потеряли сцепления с дорогой. Благодаря простоте конструкции и эффективности работы инженеры Audi отдают предпочтение центральному дифференциалу Torsen, начиная со второго поколения модификаций Quattro. Еще одним распространенным способом автоматической блокировки межосевого дифференциала стало использование вискомуфты. Например, в трансмиссии Mitsubishi Eclipse GSX, Subary Impreza и Legasy, старых BMW 325ix и Toyota Celica turbo обычный механический межосевой дифференциал совмещен с вискомуфтой, которая реагирует на разницу скоростей вращения колес передней и задней ведущих осей. Такая схема обеспечивает распределение крутящего момента по осям в диапазоне от 50:50% — на хорошей дороге до 95:5% или 5:95% — на бездорожье. Позже вместо устройств блокировки межколесных дифференциалов стали использовать возможности новых электронных систем: противобуксовочных (ASC), управления тягой (ASR, ETS). Получая информацию от датчиков антиблокировочной системы тормозов (ABS), эти системы притормаживают буксующие колеса, обеспечивая перераспределение крутящего момента на другие колеса. Развитие трансмиссий полноприводных легковых автомобилей подтолкнуло автопроизводителей к совершенствованию приводов внедорожников. Интересная схема постоянного полного привода применяется на Mercedes М-класса. У этого внедорожника все три дифференциала — свободные, т.е. не блокируются. А на бездорожье или скользкой зимней дороге в полную силу работает «умная» система контроля тяги ETS: электронный блок, анализируя показания датчиков ABS, «вычисляет» буксующее колесо и в нужной степени активизирует его тормозной механизм. А в отличие от М-класса в трансмиссии такого «внедорожного авторитета» как Mercedes G-класса все три дифференциала- c блокировками, которые включаются и отключаются дистанционно и не без помощи «умной» электроники.
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. Многолетнюю приверженность такой схеме для своих легковых моделей демонстрируют Volkswagen, Mercedes и Honda. 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.
Инженеры компании Mercedes поручили функцию предотвращения пробуксовки задних ведущих колес электронной системе 4Matic. При фиксировании одним из датчиков ABS пробуксовки одного или двух колес блок управления блокирует гидравлическую муфту межосевого дифференциала, подключающего в работу передние колеса. Если и этого недостаточно, следует команда на блокировку муфты дифференциала заднего моста. Шведская компания Haldex разработала электронно- управляемую фрикционную муфту для полноприводных модификаций концерна Volkswagen 4Motion, созданных на платформе Golf IV — Bora, Audi A3 и TT, Skoda Octavia, Seat Toledo и Leon. Муфта устанавливается непосредственно перед задним мостом, а одно из главных ее достоинств- возможность путем программирования электронного блока настроить работу трансмиссии, задавая индивидуально для каждой модели, к примеру, моменты блокировки или величину передаваемого крутящего момента. На автомобилях для активного отдыха компании Honda CR-V и HR-V японские инженеры применили устройство блокировки Real Time 4WD. Его особенность заключается в том, что муфта устройства блокируется двухконтурной гидравлической системой. Два насоса системы- закачивающий и откачивающий- приводятся в действие валами, соединенными с передним и задним мостами. При отсутствии разности в частоте вращения передних и задних колес давление масла в контуре практически отсутствует. Когда же передние колеса начинают пробуксовывать, давление повышается и блокируются диски. Так происходит перераспределение крутящего момента от передних колес на задние, которые в штатной ситуации являются нейтральными, не ведущими.
Системы с ручным включением полного привода
В отличие от «заряженных» версий легковушек со спортивным характером полный привод у внедорожников, в том числе и «паркетных», 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.
Ездить в этом случае по скоростной магистрали с включенным полным приводом- бессмысленно. 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.
Выводы
Совет тем, кто хочет купить полноприводный автомобиль, но не знает, какому именно типу трансмиссии отдать предпочтение. Просто необходимо знать, 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).