Существует почти столько же различных типов полного привода, сколько машин, которым они принадлежат. Кажется, что у каждого производителя есть несколько различных схем подачи мощности, когда речь идет о трансмиссии этого типа. По общему признанию, языковые компании часто сбивают с толку, поэтому, прежде чем мы перейдем к этой истории, давайте уточним терминологию.
- Полный привод (4WD). Когда производители говорят об этой системе, они обычно имеют в виду схему, которая иногда обеспечивает полный привод. Обычно он активируется водителем в случае необходимости, например, при движении по бездорожью. По причинам, которые мы рассмотрим позже в этой статье, все эти системы предназначены для работы в условиях плохого сцепления с дорогой, что означает вождение по бездорожью, по снегу или льду.
- Полный привод (AWD) - эти системы иногда называют постоянным интегральным приводом. Они отвечают за преодоление всех поверхностей, как асфальта, так и рельефа, и в большинстве случаев их нельзя отключить. Subaru известна именно этим типом привода.
Периодические или постоянные системы полного привода могут быть проанализированы по тем же критериям. Лучшая система будет передавать каждому колесу момент с максимальным крутящим моментом, который можно использовать по максимуму без проскальзывания колес.
В этой статье мы объясним основы полного привода, начиная от сцепления с дорогой и заканчивая компонентами, которые характеризуют такие агрегаты. Затем мы рассмотрим несколько различных систем, в том числе систему, используемую военным автомобилем Hummer.
Нам нужно кое-что узнать о крутящем моменте, сцеплении и пробуксовке колес, прежде чем мы получим представление о различных встроенных системах привода, которые можно найти в автомобилях.
Крутящий момент, сцепление с колесом и проскальзывание
Первое значение относится к крутящему моменту, создаваемому двигателем. Крутящий момент от устройства - это то, что движет автомобилем. Различные передачи в трансмиссии и дифференциале умножают ее или разделяют между колесами. На первой передаче крутящий момент может быть передан на колеса больше, чем на пятой, потому что первая передача имеет более высокое передаточное число, с помощью которого она увеличивает крутящий момент.
К колесам всегда следует передавать меньший крутящий момент, чем вызывает их проскальзывание. Автомобиль, который хорошо заводится, никогда не преодолевает этот предел, а плохой старт обычно приводит к проскальзыванию шин. И когда это происходит, крутящий момент падает почти до нуля.
Интересный момент в крутящем моменте заключается в том, что в ситуациях, когда тяга снижена, максимальный крутящий момент, который может быть создан, определяется степенью тяги, а не двигателем. Даже если под капотом вашего автомобиля стоит гоночный двигатель, если шины не «прилипают» к поверхности, просто невозможно использовать эту мощность.
Итак, мы определим сцепление как максимальное количество силы, которое шина может приложить к беговой поверхности (или наоборот). Вот факторы, влияющие на сцепление:
Вес шин . Чем больше вес шины, тем лучше она держится. Вес можно перемещать по мере движения машины. Например, при повороте вес переносится на внешние колеса, при ускорении автомобиля - на задние колеса.
Коэффициент сцепления . Этот фактор относится к величине силы сцепления, приложенной между двумя поверхностями к силе, которая удерживает две поверхности вместе. В нашем случае речь идет о степени сцепления между шинами и дорожным покрытием от веса каждой шины. Коэффициент сцепления обычно коррелирует между транспортным средством и типом поверхности, по которой он движется. Например, шины гоночных автомобилей обладают высокой степенью сцепления при движении по сухому асфальту. Это одна из причин, почему они могут проходить повороты намного эффективнее, чем серийные автомобили, какими бы сильными они ни были. Коэффициент сцепления этой же шины с грязной поверхностью будет практически равен нулю. Напротив, массивные внедорожные шины с кошками не будут иметь высокого коэффициента сцепления на сухой трассе, но будут чувствовать себя «рыбой в воде» в грязи.
Точка скольжения . Шины могут контактировать с дорожным покрытием двух типов: статический и динамический.
- статический контакт : шина и беговая поверхность не скользят друг по другу. Коэффициент адгезии для статического контакта выше, чем в случае динамического контакта, поэтому статический контакт обеспечивает лучшую адгезию.
- динамический контакт : шина скользит относительно поверхности дороги. Коэффициент сцепления при динамическом контакте ниже, как и степень сцепления.
Проще говоря, проскальзывание колес происходит, когда прилагаемая к ним сила превышает сцепление, которое может обеспечить шина. Усилие передается на колеса двумя способами:
- продольный : продольная сила возникает из крутящего момента, прилагаемого к шине двигателем или тормозами. Он имеет тенденцию либо ускорять, либо замедлять автомобиль.
- боковая : поперечная сила создается, когда автомобиль движется по поворотам. Сила необходима автомобилю, чтобы изменить направление, и, в конце концов, шины и дорожное покрытие обеспечивают поперечную силу.
Если вы говорите, что у вас довольно мощный автомобиль с задним приводом и вы проезжаете поворот по мокрой дороге, шины обеспечивают хорошее сцепление с дорогой для передачи поперечной силы, необходимой для удержания автомобиля на заданной траектории. Допустим, вы нажимаете педаль акселератора в середине поворота (что, конечно, не происходит); в этом случае двигатель передает большое количество продольной силы. Если вы добавите его к поперечной силе, создаваемой на кривой, сумма превысит силу, необходимую для сцепления, так что колеса неизбежно будут скользить.
Большинство людей даже близко не подходят к тому моменту, когда передаваемый крутящий момент приводит к скольжению на сухой дороге или даже на мокрой. Полный привод наиболее полезен в ситуациях, когда сцепление с дорогой снижено, будь то снег, грязь, скользкие подъемы, спуски и тому подобное.
Преимущества полного привода легко понять: если полный привод - это привод вместо двух, у вас есть возможность удвоить продольную силу (то есть ту, которая управляет автомобилем), которая передается на дорогу через шины.
Это может быть полезно в ряде ситуаций. Например:
- на снегу: для движения машины по снегу требуется много усилий. Доступная сила ограничивается доступной степенью сцепления. Большинство автомобилей с приводом на два колеса не двинутся с места, если снег немного глубже, потому что в снегу шины имеют низкое сцепление с дорогой. Автомобили с полным приводом, конечно, могут использовать и полный привод.
- езда по бездорожью : в условиях бездорожья довольно часто некоторые колеса находятся в условиях плохого или нулевого сцепления с дорогой, например, при пересечении ручьев или грязной поверхности. В этом случае колеса, у которых есть тяга, вытаскивают автомобиль из неловкой ситуации.
- подъем в гору по скользкой дороге: эта задача требует большого количества лазаний . Полноприводной автомобиль может воспользоваться преимуществом «избыточного» сцепления на всех четырех колесах и выполнить свою работу. Однако бывают ситуации, когда нет преимущества перед полным приводом. А именно встроенный привод не поможет вам, если вы остановитесь на скользкой поверхности. В этом случае все на тормозах и АБС.
После того, как мы установили базовые вещи, давайте посмотрим, какие компоненты составляют единый узел привода.
Компоненты полного привода
Основными частями каждой системы полного привода являются два дифференциала (передний и задний) и трансмиссия. В дополнение к вышесказанному, прерывистые интегрированные узлы имеют систему понижающей передачи на ступице вала дифференциала, и оба типа могут иметь усовершенствованную электронику, которая помогает им еще лучше использовать доступную им степень сцепления.
Дифференциалы
Автомобиль имеет два дифференциала, один из которых расположен между передними колесами, а другой - между задними колесами. Они передают крутящий момент от приводного вала или от трансмиссии к ведущим колесам. Они также позволяют левому и правому колесам вращаться с разной скоростью при повороте.
Когда вы едете по кругу, внутренние колеса движутся по траектории, отличной от траектории внешних, точно так же, как передние колеса движутся по другой траектории, чем задние, поэтому каждое колесо вращается с разной скоростью. Дифференциалы позволяют различать скорость между внешним и внутренним колесами. При полном приводе разница в скорости между передними и задними колесами регулируется трансмиссией.
В легковых и грузовых автомобилях используются дифференциалы нескольких типов. Типы дифференциалов могут существенно повлиять на то, насколько эффективно транспортное средство использует имеющуюся тягу.
Переносной редуктор
Это устройство, которое разделяет передачу мощности между передней и задней осями автомобиля с полным приводом.
Вернемся к предыдущему примеру движения по цепи: в то время как дифференциалы регулируют разницу в скорости между внутренними и внешними колесами, трансмиссия в интегрированной системе привода имеет устройство, позволяющее изменять скорость между передним и задним колесами. Это может быть гидравлическое сцепление, центральный дифференциал или какой-либо другой тип редуктора. Эти устройства обеспечивают правильную работу полного привода на любой дорожной поверхности.
Коробка передач с полным приводом блокирует и соединяет ведущий вал переднего моста с ведущим валом заднего моста, так что колеса вынуждены вращаться с одинаковой скоростью. Это требует, чтобы колеса буксовали при повороте автомобиля. Периодические встроенные приводные системы следует использовать только в ситуациях, когда отсутствует сцепление с дорогой, то есть когда шины легко проскальзывают. На сухом асфальте скользить намного сложнее, поэтому полный привод следует отключить, чтобы избежать непредвиденного поведения на поворотах и дополнительного износа шин и привода.
Некоторые переносные коробки передач, более часто встречающиеся в нерегулярных полноприводных системах, также имеют дополнительный набор шестерен, позволяющий управлять так называемым «малым диапазоном». Эта дополнительная трансмиссия обеспечивает больший крутящий момент и чрезвычайно низкую выходную скорость. На первой передаче в режиме «низкого диапазона» автомобиль может двигаться со скоростью около 8 км / ч, но, с другой стороны, на колеса передается высокий крутящий момент. Это позволяет водителям медленно и без проблем подниматься по крутым склонам.
Система редуктора на ступице вала дифференциала
Каждое колесо в машине стоит на ступице. Редкие полноприводные грузовики обычно имеют понижающую передачу на передних колесах. Когда встроенный привод не задействован, они используются для разрыва соединения между передними колесами и передним дифференциалом, то есть полуосью и приводным валом. Это позволяет дифференциалу, мостам и ведущему валу перестать вращаться, когда автомобиль находится в режиме заднего привода, что снижает износ и повышает экономичность.
Продвинутая электроника
На многих современных полноприводных автомобилях ключевую роль играет передовая электроника. В некоторых автомобилях используется система ABS, которая выборочно включает тормоза, когда колеса начинают буксовать. Это называется контролем тяги.
Другие имеют сложные лопасти с электронным управлением, которые могут лучше контролировать передачу крутящего момента между колесами. Позже в статье мы остановимся более подробно на одной такой продвинутой системе.
Во-первых, давайте посмотрим, как работает самая простая система прерывистого полного привода.
Полный привод с классическим дифференциалом
Этот тип прерывистого полного привода обычно можно найти на старых внедорожниках. Обычно они характеризуются задним приводом как базовым, и коробка передач в основном напрямую связана с коробкой передач, от которой один приводной вал вращает переднюю, а другой - задний мост.
Когда задействован полный привод, трансмиссия уменьшает передний и задний приводные валы, так что каждая ось получает половину крутящего момента, исходящего от двигателя. При этом блокируется зубчатая передача на передней ступице вала дифференциала.
Передний и задний мосты имеют классические дифференциалы. Хотя эта система обеспечивает лучшее сцепление с дорогой по сравнению с полноприводными автомобилями, у нее также есть два основных недостатка, один из которых мы уже обсуждали: ее нельзя использовать на асфальте из-за блокировки трансмиссии.
Причина второй проблемы - тип используемого дифференциала: классический дифференциал равномерно разделяет крутящий момент между двумя точками, с которыми он связан. Если одно из двух рассматриваемых колес теряет контакт с поверхностью или оказывается на очень скользкой поверхности, крутящий момент падает до нуля. Поскольку крутящий момент распределяется равномерно, другое колесо также получает нулевой крутящий момент. Даже если другое колесо имеет высокую степень сцепления, на него не передается крутящий момент.
Ранее мы упоминали, что лучшей является интегрированная система привода, которая передает максимальный крутящий момент на каждое колесо в отдельности, но не приводит к их пробуксовке. Описанная нами система по этому критерию не занимает очень высокие позиции.
Есть способы улучшить такие системы. Замена классического дифференциала на дифференциал повышенного трения - наиболее распространенное решение. Это гарантирует, что оба задних колеса способны передавать определенный крутящий момент независимо от условий. Другой вариант - блокировка дифференциала , которая блокирует задние колеса и гарантирует, что каждое из них имеет доступ к своему крутящему моменту, исходящему от оси, даже если одно колесо не контактирует с поверхностью. Это значительно улучшает характеристики при езде по бездорожью.
Если мы примем во внимание, что Hummer может быть идеальным полноприводным автомобилем по многим причинам, мы тоже немного повеселимся с ним.
AM General Hummer
Этот военный автомобиль сочетает в себе передовые механические решения и сложную электронику, что делает его, вероятно, одним из лучших на сегодняшний день полноприводным автомобилем.
Hummer имеет встроенный постоянный привод с дополнительными функциями, которые можно активировать для еще лучших «внедорожных» характеристик. В этой системе, как и в базовой, трансмиссия крепится к переносной коробке передач. От него один приводной вал соединяется с передней, а другой с задней осью. Однако переносная коробка передач на Hummer их не подключает и не блокирует автоматически. Вместо этого он содержит набор сцепленных шестерен классического дифференциала, которые может блокировать водитель. В разомкнутом (разблокированном) режиме передняя и задняя оси могут двигаться с разной скоростью, поэтому автомобиль может без проблем двигаться по сухому асфальту. Когда дифференциал заблокирован, каждая передняя и задняя оси имеют доступ к крутящему моменту, исходящему от двигателя. Если передние колеса упадут в песок, задние колеса получат весь доступный крутящий момент.
Оба дифференциала, как передний, так и задний, относятся к типу Torsen. Они характеризуются уникальным набором шестерен: как только он обнаруживает уменьшение крутящего момента на одном колесе (что обычно происходит перед проскальзыванием), эта связка шестерен передает крутящий момент на другое колесо. Это большое улучшение по сравнению с классическими дифференциалами. Однако, если одно колесо теряет контакт с землей, другое все равно не набирает крутящий момент.
Чтобы решить эту проблему, Hummer оснащен системой управления тормозным сцеплением. Когда одно колесо начинает проскальзывать, рычаг тормоза активирует тормоз этого колеса. Таким образом достигаются две вещи:
- предотвращает скольжение, обеспечивая максимальное использование имеющейся адгезии
- это гарантирует, что второе колесо передает больший крутящий момент на землю
Для того, чтобы Hummer оставался застрявшим, необходимо, чтобы все четыре колеса полностью потеряли сцепление с дорогой.
Система контроля тяги прикладывает значительный крутящий момент к колесу, которое оно хочет проскочить, позволяя дифференциалу Torsen передавать в два-четыре раза увеличенный крутящий момент на другое колесо.
Система Hummer способна передать большой крутящий момент на любое колесо, имеющее сцепление с дорогой, даже если это всего лишь одно колесо. Это приближает Hummer к определению идеальной интегрированной системы привода, то есть такой, которая может обеспечить максимальный полезный крутящий момент без проскальзывания.