Існує майже стільки ж архітектур повного приводу, як і автомобілів, ними оснащених. Здається, кожен виробник має свій кращий спосіб передачі потужності на дорожнє покриття. Маркетингові формулювання часто бувають розмитими. Перш ніж занурюватись у механіку, нам потрібно розібратися у термінології. Це справжній хаос.
Термін повний привід (four-wheel drive) зазвичай є скороченням для системи неповного часу (part-time). Її не слід використовувати на сухому асфальті. Вона призначена для умов із низьким зчепленням. Сніг. Лід. Бруд. Одночасне включення передньої та задньої осей на дорогах з гарним зчепленням може спричинити заклинювання. Це призводить до поломок.
Повний привід (All-wheel drive) розповідає іншу історію. Деякі називають його повнопривідною системою постійного часу (full-time four-wheel drive). Ці системи розроблені до роботи на будь-яких поверхнях. Дорогою. Поза дорогою. Їх рідко можна вимкнути. Мета полягає у забезпеченні рівномірного розподілу потужності незалежно від умов.
Як системи неповного, і постійного часу можна оцінювати по тому самому показнику. Ідеальна система подає на кожне колесо рівно стільки моменту, що крутить, скільки необхідно. А саме — максимальний момент, що крутить, який не викликає пробуксування. Це межа. Якщо його перевищити, зчеплення губиться.
Ми почнемо з основ. Зчеплення – це базовий показник. Ми розглянемо компоненти, у тому числі складаються ці трансмісії. Потім вивчимо конкретні реалізації. Hummer, побудований компанією AM General для GM, є цікавим прикладом для вивчення.
Розуміння крутного моменту тут обов’язкове. Так само, як і зчеплення. І пробуксування коліс. Не можна зрозуміти інженерні принципи, не знаючи, як ці сили взаємодіють.
Межа зчеплення
Крутний момент – це сила, що обертає, яку виробляє двигун. Це «сира» потужність, яка фактично приводить автомобіль у рух. Трансмісія та диференціальні передачі множать цей момент, що крутить, перед тим, як розподілити його між колесами. Перша передача помножує момент, що крутить, сильніше, ніж п’ята, оскільки передатне число у неї крутіше.
Уявіть вихідну потужність двигуна у вигляді стовпчастої діаграми. На цій діаграмі є певна лінія, що означає поріг пробуксовування коліс. Хороший старт відбувається нижче за цю лінію. Шини чіпляються за дорогу. Поганий старт перевищує цей поріг. Шини втрачають зчеплення та буксують. Як тільки починається пробуксовка, передача моменту, що крутить, падає до нуля.
Ось у чому суть: в умовах низького зчеплення двигун не визначає, скільки моменту, що крутить, досягне землі. Це робить зчеплення. Ви можете встановити двигун NASCAR у седан, але якщо шини не можуть утриматися на асфальті, ця кінська сила марна.
Ми визначаємо зчеплення як максимальну силу, яку шина може передати дорогою. Або навпаки. Це пара дії та протидії. Три основні фактори визначають цю межу.
Вага на шині. Велике навантаження означає найкраще зчеплення. Вага постійно перерозподіляється. Поворот зміщує масу зовнішні колеса. Розгін переносить її на задню вісь. Гальмування переносить її вперед.
Коефіцієнт тертя. Це число пов’язує силу тертя з нормальною силою, що утримує поверхні разом. Він залежить від складу гуми та стану дорожнього покриття. Гладка шина NASCAR на сухому бетоні має величезний коефіцієнт тертя. Саме тому вони можуть розвивати шалену швидкість у поворотах. Помістіть ту ж шину в багнюку, і коефіцієнт різко впаде. Навпаки, позашляхові шини з протектором мають посереднє зчеплення на асфальті, але добре працюють на грунті.
Тип пробуксовування коліс. Взаємодія шин з дорогою відбувається у двох режимах: статичному та динамічному.
- Статичний контакт. Шина котиться без прослизання щодо дороги. Статичне тертя вище. Це забезпечує чудове зчеплення.
- Динамічний контакт. Шина ковзає. Динамічне тертя нижче. Ви втрачаєте зчеплення.
Пробуксовування коліс відбувається, коли прикладена сила випереджає доступне зчеплення. Сила виходить із двох напрямків.
- Поздовжня. Двигун або гальма прикладають крутний момент. Це прискорює чи уповільнює автомобіль.
- Поперечна. Поворот створює бічну силу. Шини повинні чинити опір, щоб змінити напрямок.
Уявіть потужний автомобіль із заднім приводом на мокрій дузі повороту. У шин достатньо поперечного зчеплення, щоб утримувати траєкторію. Ви натискаєте на газ у середині повороту. Тепер ви подаєте поздовжній момент, що крутить, на задню вісь. Додайте цю поздовжню силу до поперечної. Якщо сума перевищить загальну межу зчеплення, почнеться пробуксування коліс.
Більшість водіїв ніколи не перевищують межі зчеплення на сухому асфальті. Можливо навіть на рівних мокрих дорогах. Ось чому повнопривідні системи сяють в умовах низького зчеплення, таких як сніг або слизькі підйоми.
Логіка проста. Використання чотирьох коліс замість двох подвоює потенційну подовжню силу. Це подвоює пул зчеплення.
Це допомагає за певних умов:
- Снег. Протискування крізь сніг вимагає величезної сили. Автомобілі з приводом на два колеса глухнуть, якщо сніг глибший за кілька дюймів, тому що у кожного колеса мінімальне зчеплення. Повний привід використовує всі чотири колеса, щоб видертися вперед.
- Бездоріжжя. Бруд, каміння або переправи через струмки часто залишають хоча б одну вісь без зчеплення. Повний привід зберігає подачу потужності на шини, які ще мають контакт.
- Круті пагорби. Підйом вимагає стійкого зчеплення. Всі чотири колеса, працюючи разом, тягнуть автомобіль нагору, тоді як два можуть почати копати.
Повний привід – не чарівна паличка. Він не дає жодних переваг при гальмуванні на льоду. Це виключно сфера гальм та антиблокувальної системи гальм (ABS).
Розуміння фізики допомагає. Тепер розберемо обладнання, яке забезпечує цю роботу.
Компоненти системи повного приводу
Механічне серце тяги
Не можна говорити про передачу потужності на дорогу, не розпочавши з диференціалів. Кожна повнопривідна система покладається на два з них: один знаходиться між передніми колесами, інший між задніми. Теоретично їх завдання просте, але практично вона складна. Вони приймають момент, що крутить, від карданного валу або коробки передач і передають його колесам. Але вони виконують ще одну, не менш важливу функцію. Вони дозволяють лівим та правим колесам обертатися з різною швидкістю.
Згадайте про різкий поворот. Зовнішні колеса мають подолати більшу відстань, ніж внутрішні. Якби ці колеса були жорстко з’єднані на нерозрізній осі, шини прослизали б. Вони б підстрибували. Вони б втрачали зчеплення. Диференціал вирішує цю геометричну проблему. Він дозволяє різницю швидкостей між внутрішніми та зовнішніми колесами без втрати передачі потужності.
У системах повного приводу за обробку різниці швидкостей між передньою та задньою осями відповідає роздавальна коробка. Ми розглянемо її пізніше. А поки що зосередимося на ролі диференціала в поворотах. Без нього ви пратимете гуму на кожному повороті.
Не всі диференціали однакові. Тип диференціала визначає, як ваш автомобіль використовує доступне зчеплення. Деякі є відкритими. Деякі блокуються. Деякі мають обмежений пробуксування диференціал (LSD). Ця відмінність важливіша, ніж більшість водіїв усвідомлюють. «Як працюють диференціали», щоб точно зрозуміти, як ці компоненти розподіляють потужність під навантаженням. Різниця між вантажівкою, що пробирається крізь сніг, і тим, що просто буксує, часто зводиться до цього єдиного механічного вибору.
Механіка роздавальної коробки
Роздавальна коробка – це не просто ящик з шестернями; це “регулювальник руху” для вашої трансмісії. Теоретично її завдання просте: розподіляти крутний момент між передньої і задньої осями. Однак те, як вона керує цим розподілом, визначає, чи виживе ваша трансмісія чи зламається.
У системі повного приводу (AWD) роздавальна коробка повинна дозволяти передній та задній осям обертатися з різною швидкістю. Чому? Бо автомобіль повертає. Якби передні та задні колеса були жорстко пов’язані між собою, трансмісія заклинило б у перший момент повороту. Щоб запобігти цьому, роздавальна коробка оснащена міжосьовим диференціалом, муфтою в’язкості або подібним механізмом. Ці пристрої дозволяють переднім і заднім осям обертатися з різною швидкістю, продовжуючи подавати потужність на обидві осі. Саме це дозволяє автомобілям з повним приводом впевнено рухатися сухим асфальтом, не руйнуючи власні компоненти.
Системи часткового повного приводу (part-time 4WD) працюють інакше – і жорсткіше. У таких випадках роздавальна коробка жорстко з’єднує передній та задній карданні вали. Вони обертаються із абсолютно однаковою швидкістю. Жодного прослизання не допускається.
Це здається нормальним, доки ви не виїжджаєте на суху поверхню з високим зчепленням, наприклад, на бетон. На сухому асфальті шини не хочуть прослизати. Вони хочуть зчеплення. Коли ви включаєте повний частковий привід на сухому покритті, колеса примусово обертаються разом під час повороту. Внутрішньому колесу слід проїхати меншу відстань, ніж зовнішньому. Оскільки роздавальна коробка не дозволяє їм обертатися з різною швидкістю, трансмісія починає боротися сама із собою. Виникає напруга (wind-up). Результатом стає нервове керування, заклинювання та швидке знос шин і деталей трансмісії. Саме тому частковий повний привід призначений строго для умов з низьким зчепленням — снігу, бруду, гравію, де шини можуть вільно прослизати, компенсуючи різницю в швидкості обертання коліс.
Деякі роздаткові коробки йдуть далі, пропонуючи знижувальну передачу (low range). Це для швидкості; це для множення моменту, що крутить. Включаючи додатковий набір шестерень, система значно знижує вихідну швидкість, одночасно збільшуючи крутний момент на колесах. На знижувальній передачі в першому режимі ви можете повзти зі швидкістю не більше 5 миль/год (8 км/год), але сила, що передається, буде величезною. Це різниця між тим, щоб буксувати на камені і тим, щоб плавно перекочуватися через нього. Незамінно для крутих підйомів чи складних позашляхових трас.
Блоковані маточини: Відключення трансмісії
Кожне колесо кріпиться до маточини. У вантажівках з повним частковим приводом ця маточина — не просто пасивне з’єднання. Це активний перемикач.
Коли ви їдете двоколісним приводом, передні колеса все ще з’єднані з переднім диференціалом, півосями і карданним валом. Це означає, що ці компоненти обертаються навіть коли не передають потужність. Тертя. Тепло. Зношування.
Блоковані маточини вирішують цю проблему. Вони від’єднують передні колеса від трансмісії, коли повний привід не потрібний. Це зупиняє обертання диференціала, півосей та карданного валу в режимі 2WD. Результат? Найменша маса, яку потрібно розкручувати, менший знос підшипників та шестерень, а також краща економіка палива.
У старих вантажівках використовувалися ручні блоковані маточини. Щоб їх увімкнути, потрібно було зупинитися, вийти з машини та фізично повернути ручку на передньому колесі, доки вона не клацне в потрібне положення. Це був своєрідний ритуал. Він гарантував включення ще до того, як ви намагалися рушити з місця.
У сучасних вантажівках використовуються автоматичні блоковані маточини. Ви просто перемикаєте тумблер в салоні, і ковзна втулка всередині маточини входить в зачеплення, блокуючи піввісь зі маточкою. Часто це можна робити на ходу, хоча деякі системи все ж рекомендують зупинятися для повного включення. Принцип механізму однаковий: ковзна втулка, яка фізично блокує передні півосі з маточиною колеса, забезпечуючи подачу потужності на шину тільки тоді, коли вам це потрібно.
Електронний мозок
Апаратна частина – це лише половина справи. Сучасні автомобілі з повним та постійним повним приводом сильно покладаються на електроніку для керування зчепленням.
Багато автомобілів тепер використовують систему ABS для гальмівного контролю тяги. Замість покладатися тільки на механічні диференціали або муфти, комп’ютер виявляє, коли колесо починає буксувати або втрачати зчеплення. Потім він вибірково застосовує гальма саме до цього колеса. Це імітує роботу диференціала, що блокується, спрямовуючи потужність на колесо, що має зчеплення. Це не так надійно, як механічний блокатор, але ефективно для повсякденних умов ковзання.
Інші системи використовують складні електронно-керовані муфти. Вони можуть змінювати передачу крутного моменту між колесами за мілісекунди, адаптуючись до змін поверхні швидше, ніж водій або будь-який механічний в’язкісний муфта міг би будь-коли. Ми докладніше розглянемо одну конкретну просунуту систему пізніше, але тенденція очевидна: електроніка перебирає важку механічну роботу.
Перш ніж ми перейдемо до розгляду цих складних систем, повернімося до основ. Як фундаментальна система часткового повного приводу насправді передає потужність від двигуна до землі?
Диференціал повного приводу
Чим частковий повний привід відрізняється від сучасних систем
Більшість традиційних пікапів та старих позашляховиків із повним приводом використовують систему часткового повного приводу (part-time). Ці автомобілі спочатку мають привід на задню вісь. Трансмісія безпосередньо з’єднана із роздавальною коробкою. Ця коробка розподіляє потужність між двома карданними валами. Один з них обертає передню вісь, а інший задню.
При включенні повного приводу роздавальна коробка з’єднує передній та задній карданні вали. Кожен міст отримує половину крутного моменту двигуна. Передні ступичні муфти блокуються одночасно.
Передній та задній мости оснащені відкритими диференціалами. Така конструкція забезпечує краще зчеплення ніж привід тільки на одну вісь. Однак у неї є дві істотні недоліки. Перший ви знаєте: таку систему не можна використовувати на сухому асфальті. Заблокована роздавальна коробка змушує обертатися осі з однаковою швидкістю. Це призводить до заклинювання на поверхнях із високим зчепленням.
Другий недолік полягає у відкритих диференціалах. Відкритий диференціал розподіляє момент, що крутить, порівну між двома колесами на одній осі. Якщо одне з коліс втрачає зчеплення або відривається від землі, момент, що крутить, на це колесо падає до нуля. Оскільки розподіл відбувається порівну, нульовий момент отримує друге колесо. Навіть якщо друге колесо має ідеальне зчеплення, потужність на нього не надходить.
Системи часткового повного приводу часто зазнають невдачі, тому що вони передають крутний момент, ґрунтуючись на колесі з найменшим зчепленням.
Ідеальна система передає максимальний момент, що крутить, кожному колесу, не допускаючи його пробуксовки. За цим стандартом базова система працює погано. Вона обмежує крутний момент тим значенням, яке може витримати колесо, що буксує.
Це можна покращити. Замініть задній відкритий диференціал на диференціал з обмеженим ковзанням (limited-slip). Це забезпечить передачу крутного моменту на обидва задні колеса. Інший варіант – диференціал, що блокується. Він жорстко з’єднує задні колеса. В результаті кожне колесо отримує весь крутний момент, що надходить, навіть якщо одне з них знаходиться в повітрі. Це значно покращує позашляхові характеристики.
Підхід Hummer до забезпечення тяги
Тепер ми розглянемо, можливо, найкращу з існуючих систем повного приводу: ту, що встановлена на Hummer.
Як насправді працює роздавальна коробка Hummer
AM General Hummer – це не просто вантажівка з гарною оббивкою. Це механічний звір, що поєднує важке обладнання з електронікою, щоб запропонувати, мабуть, найефективнішу систему повного приводу на ринку. І все починається із роздавальної коробки.
Більшість базових позашляховиків використовують систему, яка автоматично блокує передню та задню осі разом. Hummer робить щось розумніше.
Ось як влаштована ця система: коробка передач з’єднується з коробкою роздавальної. Від неї один карданний вал іде вперед до передньої осі. Інший вал іде назад до задньої. Все досить просто. Але ось у чому особливість. Роздавальна коробка за замовчуванням не змушує обертатися осі з однаковою швидкістю. Усередині знаходиться набір відкритих диференціальних шестерень. Вони можуть бути розблоковані або заблоковані водієм.
Коли вони розблоковані, передня та задня осі рухаються незалежно. Це означає, що ви можете заїхати на Hummer сухим асфальтом, не борючись з трансмісією. Жодного затискання. Жодної поломки компонентів. Просто плавна їзда.
Але перемкніть тумблер. Заблокуйте його.
Несподівано відкритий диференціал стискається. Передня та задня осі зв’язуються разом. Обидві отримують доступ до крутного моменту двигуна. Тут відбувається магія.
Уявіть собі таку ситуацію. Ви повільно повзете по складному бездоріжжю. Передні колеса потрапляють у ділянку із швидким піском. У стандартній системі ці колеса починають обертатися. Потужність витрачається марно. Hummer змінює математику. Оскільки диференціал заблокований, задні колеса захоплюють момент, що крутить, який передні колеса не можуть використовувати. Задні колеса штовхають. Передні колеса… ну, вони застрягли в багнюці. Але автомобіль все одно рухається вперед.
Справа не лише у потужності. Справа у розподілі. Система Hummer гарантує, що кожен біт моменту, що крутить, відправляється туди, де він потрібен. Якщо передня частина має зчеплення, вона отримує момент, що крутить. Якщо задня частина має зчеплення, вона отримує момент, що крутить. Якщо зчеплення має лише один кінець, він отримує весь крутний момент.
Це не теорія. Це – інженерія. І саме тому Hummer може їхати туди, куди інші вантажівки можуть лише мріяти потрапити.
“Якщо передні колеса потрапляють у швидкий пісок, задні колеса отримують весь крутний момент, який вони можуть витримати.”
Це ключовий висновок. Hummer не просто відправляє потужність на всі чотири колеса. Він відправляє потужність на ті колеса, які справді можуть її використовувати. Інші залишаються позаду.
Це складно? Звісно. Електроніка зчитує швидкість обертання коліс, зчеплення та введення водія. Механіка перетворює це на дію. Результат? Автомобіль, який не просто їде землею. Він підкорює її.
І річ не тільки в тому, щоб їхати швидко. Справа в тому, щоб їхати крізь. Через скелі. Через бруд. Через пісок. Система Hummer адаптується. Вона не бореться із місцевістю. Вона використовує її.
Подумайте про це секунду. Більшість систем повного приводу пасивні. Вони реагують. Система Hummer активна. Вона передбачає. Вона готується. Вона чекає на момент, коли передні колеса втратять зчеплення. А потім вона діє.
Це танець крутного моменту та зчеплення. І Hummer веде.
Переваги системи Torsen та логіка блокування гальм
І передня, і задня осі Hummer оснащені диференціалами Torsen. Це не просто рекламний хід. Ці вузли оснащені специфічною шестеренною передачею, яка миттєво реагує на зміни моменту, що крутить. Коли одне колесо починає пробуксовувати, система фіксує падіння моменту, що крутить, і перенаправляє потужність на колесо, що має зчеплення з дорогою. Вона здатна перерозподіляти момент, що крутить, з коефіцієнтом від 2:1 до 4:1. Це величезний крок уперед у порівнянні з відкритими диференціалами, які просто відправляють потужність шляхом найменшого опору. Однак у систем Torsen є жорстка межа. Якщо одне колесо повністю втрачає контакт із землею, інше не отримує жодної потужності. Потужність йде в повітря. Нульове зчеплення. Нульовий рух уперед.
Щоб вирішити цю тупикову ситуацію, Hummer використовує систему контролю тяги на основі гальм. Це механічне вирішення фізичної проблеми. Коли датчики фіксують пробуксовку, гальма затискають колесо, що обертається. Це виконує дві негайні функції. По-перше, це запобігає втраті енергії на обертання колеса у порожнечі. Воно змушує шину вчепитися у поверхню. По-друге, це створює навантаження на цю вісь. Це навантаження обманює диференціал Torsen, змушуючи його відправляти момент, що крутить, на інше колесо. Система множить прикладене гальмівне зусилля, подаючи в 2-4 рази більше моменту, що крутить, на колесо зі зчепленням. Щоб Hummer справді застряг, усі чотири колеса мають одночасно втратити зчеплення. Будь-яка єдина точка контакту є достатньою для продовження руху.
Реальний розподіл крутного моменту в умовах експлуатації
Гальмівна система контролю тяги не просто обмежує пробуксування. Вона активно керує розподілом моменту, що крутить. Застосовуючи значне гальмівне зусилля до буксируючого колеса, система змушує блок Torsen реагувати. В результаті потужний сплеск моменту, що крутить, подається на шину, яка дійсно має зчеплення з дорогою. В екстремальних випадках система може направити майже всю доступну потужність одне колесо. Якщо ця шина тримається, Hummer рухається. Така поведінка близька до теоретичного ідеалу для повнопривідної системи: система, яка доставляє максимальний можливий момент, що крутить, до кожного колеса в залежності від його доступного зчеплення. Йдеться не про рівний розподіл. Йдеться про ефективний розподіл.
Інженерний підхід тут ставить функціональність вище за симетрію. Відкриті диференціали зазнають невдачі, тому що припускають, що обидва колеса мають рівне зчеплення. Заблоковані диференціали зазнають невдачі, бо ігнорують різницю між дорогою та бездоріжжям. Гібридний підхід Hummer використовує гальмування для імітації блокування за потреби, а потім покладається на шестерні Torsen для управління розподілом у звичайних умовах. Це багатошарове рішення. Гальма обробляють крайні випадки. Шестерні обробляють повсякденне прослизання. Разом вони створюють трансмісію, яка зберігає рухливість там, де інші зупиняються.
Чому це важливо для позашляхових характеристик
Більшість водіїв ніколи не замислюються про розподіл моменту, що крутить, поки не застрянуть. Тоді вони на власному гіркому досвіді дізнаються, наскільки тендітні стандартні диференціали. Конструкція Hummer усуває цю вразливість. Комбінуючи механічне зміщення моменту, що крутить, з електронним втручанням гальм, вона покриває всі можливі режими відмови. Колесо на камені? Torsen справляється з цим. Колесо в ямі із брудом? Гальма блокують його, Torsen спрямовує потужність в інше місце. Колесо у повітрі? Гальма зупиняють обертання, Torsen штовхає колесо, що знаходиться на землі. Система не просто реагує. Вона передбачає. Вона обчислює шлях найменшого опору та блокує його.
Це стосується не лише того, щоб вибратися з канави. Це питання впевненості. Ви можете довіряти трансмісії, щоб вона знаходила
