На все колеса: 4x4

Вопрос «А зачем?» встречает, как правило, один ответ: «Для лучшей проходимости». Впрочем, постоянные читатели автомобильной прессы еще осведомлены о «лучшей устойчивости на скользкой дороге».

Все это, как говорится, верно, но не совсем. Поэтому мы сегодня попытаемся привести в систему наши знания о приводе на все колеса. Точнее, начнем приводить, ибо тема эта, как и весь современный автомобиль, практически неисчерпаема.

Что движет автомобиль? Двигатель вращает колеса, а они уже отталкиваются от дороги — так же, как мы, когда делаем очередной шаг вперед. В том месте, где шина соприкасается с дорогой (назовем его «пятно контакта»), создаваемый двигателем крутящий момент превращается в силу тяги колеса. Однако если сила тяги окажется больше, чем сила сцепления шины с дорогой, колесо будет проскальзывать — буксовать.

Понятно, что если у автомобиля два ведущих колеса, то все усилие, создаваемое двигателем, распределяется между двумя пятнами контакта.

А если четыре? Тогда между четырьмя. Чем больше ведущих колес, тем меньшая сила тяги приходится на каждое колесо, на каждое пятно контакта. А это значит, что при том же сцеплении шин с дорогой мы можем развить гораздо большую суммарную силу тяги, то есть быстрей разгоняться, въезжать на более крутые подъемы, буксировать более тяжелый прицеп. Или наоборот — при той же (или даже большей) силе тяги сможем уверенно передвигаться по гораздо более скользкому покрытию.

В общем-то, простая физика. И понятно, что дорожному автомобилю все это может пригодиться ничуть не меньше, чем машине высокой проходимости.

Устойчивость имеет ко всему этому самое непосредственное отношение. Ведь благодаря сцеплению шин с дорогой автомобиль не только разгоняется, но и останавливается, меняет направление движения, да и вообще стоит на дороге, а не валяется в кювете после первого же поворота. Однако чем большая продольная сила, действует в пятне контакта, тем меньшей поперечной силы будет достаточно, чтобы сорвать колесо в боковое скольжение. А уж буксующее колесо боковую нагрузку практически не воспринимает.

Ну и, конечно, можно представить себе немало различных ситуаций, когда практическая польза полного привода проявляется уже просто в том, что любое колесо является ведущим. Например, несколько колес вдруг оказались в условиях очень плохого сцепления с грунтом — на снегу, льду, в грязи. Или вообще «болтаются» в воздухе (и такое бывает при движении по пересеченной местности).

В подобном случае мы можем рассчитывать только на то, что колеса, которые сохраняют сцепление с опорной поверхностью, тоже являются ведущими.

Однако за преимущества полного привода приходится платить — усложнением (и удорожанием) конструкции, увеличением массы машины (а значит, и расхода топлива), уменьшением полезного пространства, отводящегося для пассажиров и груза. Ведь чтобы колеса стали ведущими, к ним нужно подвести крутящий момент от двигателя. А значит, появятся дополнительные агрегаты — раздаточные коробки (как минимум одна), главные передачи с дифференциалами (по одной на каждую ведущую ось), приводные валы. И поэтому на протяжении большей части XX столетия привод на все колеса получал широкое распространение в основном только там, где обойтись без него было просто невозможно, — в машинах высокой проходимости.

Но в большинстве из них полный привод использовался лишь время от времени — только в тяжелых условиях. Все остальное время бездействующие агрегаты возились с собой как бесполезный груз, лишь ухудшающий динамику автомобиля и увеличивающий расход топлива. Почему?

Еще на заре эпохи самодвижущихся экипажей, когда ведущие колеса закреплялись на общей жесткой оси, конструкторы столкнулись с тем, что крутой поворот становился для автомобиля непреодолимым препятствием. Ведь при прохождении поворота «наружное» колесо проходит больший путь, чем «внутреннее» (за то же самое время), а значит, должно вращаться с большей скоростью. Либо должно пробуксовывать внутреннее колесо, что маломощные первые двигатели обеспечить не могли — и попросту глохли. А если и хватало мощности двигателя, то автомобиль в поворотах постоянно заносило, очень быстро изнашивались шины, из-за возникающих нагрузок ломались оси. И потому довольно быстро единая ось ведущих колес была заменена двумя полуосями, между которыми появился дифференциал, планетарный механизм, обеспечивающий правое и левое колесо равным крутящим моментом, но позволяющий им вращаться с разной скоростью.

Но дело-то в том, что передние и задние колеса при повороте тоже проходят разные расстояния.

Более того, в реальных условиях движения они могут проходить разные расстояния и на прямой, ведь на дорогах встречаются неровности. А это значит, что если мы делаем автомобиль полноприводным, то в нем должен быть предусмотрен еще один дифференциал — между передней и задней осями. Иначе шины будут быстро изнашиваться, а нагрузки, возникшие в приводе, приведут его в негодность.

Конечно, межосевой дифференциал — это усложнение и удорожание конструкции и, опять же, лишняя масса. И без него, в принципе, можно обойтись, но при одном условии: приводом на все колеса мы будем пользоваться только на достаточно скользких покрытиях и при небольших скоростях, когда серьезных неприятностей для шин и привода не возникает. А на твердой дороге придется оставлять лишь одну ведущую ось.

В начале и середине прошлого века такой подход устраивал. Схема полного привода без межосевого дифференциала (с жесткой связью в раздаточной коробке и отключением одного из ведущих мостов) была популярна на внедорожной технике вплоть до конца XX века. Собственно, она дожила и до наших дней, модернизировавшись насколько возможно.

Теперь для подключения «дополнительного» ведущего моста не надо останавливаться (в англоязычной литературе это называется «shiftonthefly»). Сейчас привод с подключаемым передним мостом используется в Isuzu Trooper с механической коробкой передач, в Jeep Wrangler, в Mitsubishi Pajero Sport и многих других автомобилях.

Но одно дело — «просто внедорожники». Их потребителей вполне устраивали основные преимущества схемы с отключаемым мостом — относительная простота и, соответственно, дешевизна, а вопросы скоростного передвижения по асфальту их волновали мало. Совсем другое — когда полноприводный автомобиль не «покоритель лугов и пустынь», а транспортное средство для повседневного использования (причем большей частью по нормальным дорогам). В этой ситуации на первый план выходят недостатки. Во-первых, невозможность постоянного использования преимуществ полного привода (ведь при движении по твердым покрытиям ведущей остается только одна ось). Во-вторых, повышенные требования к квалификации водителя: он должен правильно оценивать обстановку и принимать решение, включать дополнительный мост или не включать. А ошибки чреваты неприятными последствиями: превращение автомобиля в полноприводный мгновенно меняет не только проходимость, но и управляемость.

Так что в последнее время гораздо чаще находит применение постоянный полный привод с межосевым дифференциалом. Такая схема у большинства полноприводных легковых автомобилей и последних моделей внедорожников (все Audi quattro, кроме A3; все BMW iX, а также X5; Hyundai Santa Fe; Jaguar XType; все Mercedes-Benz 4matic, M и G-класса; Mitsubishi Pajero — в общем, полный список может занять весь выделенный для статьи объем).

Однако и «дифференциальный» привод не лишен недостатков.

Во-первых, на скользком покрытии дифференциал вполне может подвести. Вам приходилось наблюдать со стороны за автомобилем, забуксовавшим в снегу или жидкой грязи? Тогда вы должны были заметить: в то время как буксующее колесо бешено вращается, другое практически не делает попыток сдвинуться с места. Виноват в этом дифференциал. И точно так же будет вести себя межосевой дифференциал, когда колеса одной из осей окажутся на скользкой поверхности. Чтобы этого не происходило, полноприводные автомобили (особенно высокой проходимости) приходится оборудовать устройствами блокировки дифференциалов. Понятно, что система привода не становится от этого проще и дешевле.

Кроме того, раздаточная коробка и дополнительные приводные валы по-прежнему утяжеляют машину и занимают много места. И если для больших автомобилей с мощными двигателями все это не так уж и существенно, то у легковых, особенно компактных, серьезно страдают динамика, экономичность и вместимость.

Не без «помощи» компактных легковых автомобилей родилась еще одна концепция полного привода, используемая на многих современных машинах. В западной литературе она называется «torqueondemand» (или просто «on demand») — «момент по необходимости».

Идея в том, чтобы к простому (без межосевого дифференциала) приводу с отключаемым мостом добавить некое автоматическое устройство, подключающее его в случае необходимости (скажем, при пробуксовке «основных» ведущих колес). А еще лучше — передающее на «дополнительный» мост ровно столько крутящего момента, сколько необходимо.

Конечно, такая схема уступает постоянному полному приводу, зато конструктивно проще, а главное, очень удобна для того, чтобы сделать полноприводным небольшой автомобиль.

Ведь когда двигатель впереди и «основные» ведущие колеса передние, можно даже отказаться от отдельной раздаточной коробки — достаточно сделать простой отбор мощности к заднему мосту, а передним установить то самое автоматическое устройство. Такой привод получается компактным и довольно легким, а потому очень популярен среди легковых моделей (Audi A3; Volvo AWD и XC; Volkswagen Golf 4Motion и т. д.), а также моделей «промежуточных» классов (Ford Maverick, Honda CRV; Nissan X-Trail; Volvo XC 90 и др.).

Первые системы «on demand» создавались на основе муфты вязкостного трения (до последнего времени еще сохранялась на полноприводных Volvo V70, до сих пор устанавливается на Chrysler Voyager AWD, Land Rover Freelander и некоторые Mitsubishi Pajero Pinin). Позже было предложено еще несколько относительно простых гидравлико-механических устройств, работающих без какого-либо вмешательства извне. Их конструкции и принципам действия мы предполагаем посвятить отдельные материалы.

Но у всех простых муфт с «внутренним автоматизмом» есть существенные недостатки. Во-первых, они срабатывают уже по факту пробуксовки, что может оказаться уже поздновато. Во-вторых, их характеристика (скорость срабатывания, зависимость передаваемого момента от скорости буксования и т. п.) определяется конструкцией и не может быть изменена без разборки (которая, зачастую, возможна лишь в заводских условиях). А это означает, что об адаптации к конкретным условиям движения говорить уже не приходится.

И поскольку микропроцессорная техника в последние годы значительно подешевела, в системах «on demand» все чаще используют устройства с компьютерным управлением. Они регулируют момент, передаваемый на «дополнительный» мост уже не только в зависимости от текущей ситуации, но и на основе прогноза ее развития. Возможности управляемых электроникой систем очень широки. И потому они все чаще находят применение вместо межосевого дифференциала в раздаточных коробках больших мощных моделей (Chevrolet Tahoe и TrailBlazer; Infiniti FX и др.).