Разновидности полного привода Авто-потроха: как устроены автомобили

Полный привод (4WD, AWD) - схема трансмиссии, в которой тяга передается на все колёса автомобиля. Не обязательно "4x4" - у военной техники бывает и 10 осей, и все ведущие. Но здесь мы говорим про обычные гражданские машины, у которых 4 колеса.

С обозначениями полного привода тоже большая путаница, причём созданная сознательно. Желание продать "плохие" привода как "хорошие" (будь проклят маркетинг) разрушает связь между шильдиком (4WD, AWD, 4x4) и конкретной конструкцией привода.

Здесь и далее мы используем обобщённое обозначение - 4WD. Конкретные же варианты 4WD приводятся в отдельных статьях о дифференциалах, муфтах, технических решениях.

Зачем нужен полный привод

4WD даёт водителю три "драйвовых" ценности:

• Рост проходимости (от парковки в городских сугробах до действительно тяжелых внедорожных условий).
• Рост управляемости (в основном на твёрдых покрытиях).
• Рост динамики (лучшая устойчивость при более быстром разгоне).

Также 4WD создаёт маркетинговую ценность для производителя - чем 4WD проще, тем лучше, ведь даже с отвратительным 4WD цену на машину можно зарядить гораздо выше её моноприводного варианта.

Прежде всего. Любой 4WD требует строго одинаковой размерности шин на всех колёсах. А раз докатка обычно меньшего размера, то и ездить на ней нужно медленно и как можно меньше под угрозой сломать трансмиссию.

Далее. Хотя некоторые виды 4WD разгоняются и едут намного лучше монопривода, тормозят-то они абсолютно точно так же. На 4WD надо ясно понимать, что ощущение вседозволенности, скажем, на льду имеет чёткий физический предел.

К слову. Упоминая 4WD, часто называют и распределение момента по осям (50/50, 90/10 и т.д.). Так вот, при этом всегда подразумевается статика - когда все колёса находятся на твердом покрытии в равных условиях. Шестерёнки в трансмиссии - это рычаги, которые при прочих равных передают момент между осями таким вот образом. Стоит любому колесу «разгрузиться», как момент будет мгновенно перераспределён по остальным колёсам. Во многом - непредсказуемо.

Ну и - лайфхак. В момент трогания с места гидротрансформатор гидромеханических АКПП работает как демультипликатор (понижающая передача) с коэффициентом около 1.9, поэтому 4WD с автоматом или с другими коробками - это две огромные разницы. Не считая электротяги, сегодня только гидромеханика с постоянным 4WD (или превентивным on-demand 4WD) даёт нам плавный и мощный старт с полной реализацией возможностей двигателя, без придушивания. 4WD же с механикой, роботом или вариатором - сплошное недоразумение, т.к. ни механика, ни робот, ни вариатор в принципе не могут передать без повреждений заметную нагрузку при трогании с места, т.к. работают в этот момент по фрикционному принципу.

Миф первый: 4WD повышает расход топлива.

На практике долгой эксплуатации машина с постоянным полным 4WD потребляла при прочих равных примерно поллитра "лишнего" бензина на 100км относительно такой же моноприводной. Эти поллитра уходили на бОльшую массу перевозимого железа (лишние 70кг) и трансмиссионные потери в раздатке, кардане, заднем мосту.

Для жёстко подключаемого 4WD потери могут быть гораздо больше, как в силу худшего качества материалов и деталей (такие машины всегда дешевле), так и из-за потерь на деформацию покрышек и разрушение трансмиссии (см. "Part-Time 4WD").

Миф второй: дифференциал для постоянного 4WD не обязателен.

Вариант: а у меня на BMW/Kia/Renault/. тоже постоянный 4WD!

При повороте автомобиля каждое из колёс идёт по своему радиусу, проходит разное расстояние и крутится со своей угловой скоростью. Если бы колёса и оси были бы соединены жёстко, то разница угловых скоростей очень быстро сломала бы трансмиссию (и запросто сломает, если на жёстко подключенном приводе ездить по твёрдому покрытию). Да и поворачиваемость при жёсткой связке осей резко недостаточная - передние колеса вынуждены крутиться с той же скоростью, что и задние, и в поворотах срываются в скольжение. Машина "плугом" идёт наружу поворота.

Разницу угловых скоростей колёс на одной оси обеспечивают межколёсные дифференциалы. А разницу скоростей переднего и заднего дифференциалов - дифференциал межосевой.

Так вот, 4WD может называться постоянным тогда и только тогда, когда в нём физически есть межосевой дифференциал. Только тогда обе оси подключены к тяге постоянно.

Если межосевого дифференциала нет - значит, привод подключаемый. И совершенно не важно, что он подключается быстро или даже превентивно. Нет диффа - нет постоянного 4WD.

Особенно на эту тему агрессируют владельцы BMW. Специально для них повторяем - нет межосевого дифференциала, нет и постоянного 4WD. А есть дешёвая межосевая муфта, вынужденная распускаться под нагрузкой - или перегреваться и гореть.

Миф третий: 4WD нужен только для повышения проходимости.

Основная роль постоянного 4WD - повышение динамики и управляемости, а вовсе не проходимости. Конечно, проходимость важна, но по дорогам мы ездим всё-таки чаще, чем по трясине.

Сила трения покоя больше, чем сила трения скольжения. Поэтому и управляемость, и динамика машины драматически зависят от того, сохраняется ли в пятне контакта шин с дорогой трение покоя или же колёса срываются в скольжение. Постоянный 4WD передаёт ту же энергию двигателя на вдвое большее число колёс, поэтому и сорвать колёса в скольжение ему вдвое труднее.

Распределение мощности по всем колёсам даёт нейтральную поворачиваемость под тягой. Можно намного активнее играть тягой, не боясь "уронить" машину, можно стабилизировать машину тягой.

4WD on-demand тоже может улучшать динамику, но только если он очень быстро или превентивно подключается. С управляемостью же на on-demand 4WD ситуация не очень. Машина может помогать водителю, "играя" приводом и раздельно тормозами, но сам факт того, что машина то передне- (задне-), то полноприводная, и что при замкнутой межосевой муфте поворачиваемость сразу становится недостаточной, предсказуемости поведения никак не добавляет. Вошёл ты в поворот на переднем приводе, решил поддать газку, протащить машину тягой - муфта замкнулась, машина вдруг стала жёстко полноприводной и полетела наружу поворота. Нет уж, спасибо.

Самый дешёвый и самый бесполезный вид полного привода. Единственное его применение - действительно тяжёлые внедорожные условия, а единственные плюсы - способность переносить огромные нагрузки и предельная дешевизна.

В составе part-time 4WD могут применяться колёсные хабы (обгонные муфты) либо размыкающая муфта на одной из полуосей, понижающие передачи и межколёсные блокировки. Подключение может быть как механическим, вручную, так и дистанционным (электро-, гидро- или пневмоприводом).

Если с хабами всё понятно, они физически отключают колёса от трансмиссии, то размыкание полуоси снимает нагрузку с одного из выходных валов переднего дифференциала, вследствие чего второй выходной вал также получает механическую свободу.

Принципиально важно, что вторая ось подключается не фрикционной муфтой или дифференциалом, а прямым зацеплением шестерён. В этом смысле part-time 4WD не подключаемый, а отключаемый.

Part-time 4WD категорически нельзя применять на твердых покрытиях ввиду резкого ухудшения управляемости машины и риска сломать трансмиссию (см. 2й миф о 4WD). Да и вне дорог (грязь, лёд) острая недостаточная поворачиваемость никуда не девается.

Все part-time 4WD ввиду жёсткой связки осей включаются и отключаются с заметной задержкой и часто требуют для этого полной остановки (а то и возни с ручными хабами).

Резюмируем. Part-time 4WD даёт прекрасную проходимость, управляемость и динамику ухудшает, зато очень простой и дешёвый. Проще только разомкнутый гибридный 4WD, см. ниже.

УАЗолюбы на этом месте вскипают яростью благородной, но нас же интересует позиция простых людей, а не фанатов трофи.

Ещё раз, по буквам. Включение part-time 4WD на твёрдом покрытии резко снижает поворачиваемость и ломает машину, т.к. вся разница механической энергии передней и задней осей остаётся в трансмиссии и ломает её, перегревает, съедает покрышки. Можете сами посчитать хотя бы для поворота первой раллийной категории и скорости 60 км/ч (17 метров в секунду). Физика рулит.

Исторически возник как решение задачи "а пусть вторая ось подключается сама!", причём максимально дешёвыми средствами - т.к. технологически настоящий постоянный 4WD весьма дорог. По мере развития технологий on-demand 4WD рос от сравнительно дешёвого, но почти бесполезного устройства, через различные (иногда сложные и дорогие) превмо- и гидравлические механизмы, к современному достаточно совершенному электронному виду.

Конструктивно все on-demand привода устроены как "замыкание осей через фрикционную муфту". Межосевого дифференциала в них нет, при срабатывании привода оси соединяются напрямую с возможным проскальзыванием (которое перегревает муфту).

Вообще, все фрикционные муфты утилизируют проскальзывание в тепло и очень быстро перегреваются. Так, on-demand 4WD на Mitsubishi Outlander XL ("сухая" электромагнитная муфта с проскальзыванием и степенью блокировки 70%) практически бесполезна вне дорог из-за постоянного перегрева. Зимой неоднократно приходилось объезжать на постоянном 4WD таких зарывшихся посреди дороги бедолаг - стояли, курили и ждали, пока остынет муфта. А вот фирменная система All Mode 4x4-i компании Nissan (X-Trail, или её аналог TOD на Pathfinder) достаточно хорошо держит нагрузку и является лучшим на сегодня примером on-demand 4WD.

Т.к. качество работы on-demand 4WD драматически зависит от скорости срабатывания межосевой блокировки (особенно от умения включаться превентивно), вполне закономерно выглядит переход всех современных on-demand приводов на быстрые электромагнитные и (намного реже) электрогидравлические муфты.

Применение до сих пор такого сложного и дорогого устройства, как гидравлическая муфта, объясняется тем, что электромагнитные муфты до сих пор не могут обеспечить хорошую степень блокировки при небольшом перегреве. По сути, это технологическая проблема с недостаточной мощностью компактных электромагнитов.

Переход в 4WD on-demand на электрогидравлические муфты с простых гидравлических или вязкостных обусловлен необходимой скоростью срабатывания при хорошем усилии сжатия. Электрогидравлика умеет быстро и сильно блокироваться и легко распускаться по командам блока управления, тогда как обычная гидравлика (например, Honda DPS) или вискомуфта срабатывает только при заметной разнице угловых скоростей передней и задней оси (т.е. когда ведущая ось уже "закопалась" на полоборота), не может держать высокую степень блокировки постоянно и не умеет распускаться при работе ABS.

Важно, что в Full-Time 4WD, напротив, вискомуфты работают хорошо - т.к. озадачены не передачей всей тяги на вторую ось, а только лишь уравниванием её между осями.

Кроме межосевой муфты и межколёсных дифференциалов (возможно, блокируемых), on-demand 4WD может интегрировать тормозную систему (электронная имитация колёсных блокировок), датчики руля и педалей (возможность управлять муфтой превентивно по ситуации). Для компенсации низкой скорости срабатывания и слабой блокировки применяются муфты с механическим преднатягом (Haldex на Volvo, второе поколение DPS на Honda).

Так же, как и на part-time 4WD, принудительная блокировка on-demand 4WD на твёрдых покрытиях категорически запрещена. В отличие от крепкой механической блокировки в part-time, нежные фрикционные муфты on-demand умрут в таком режиме гораздо быстрее.

Ввиду значительного разброса конструкций, технологий, свойств, а также вечного желания производителя выдоить из клиента побольше денег, всучив ему товар подешевле, обобщить качества 4WD on-demand можно лишь приблизительно:

• Подавляющее большинство систем 4WD, рекламируемых как "постоянный полный привод" ("Realtime 4WD"), на самом деле относятся к 4WD on-demand и постоянным 4WD никак не являются. Примеры - Honda (кроме SH-AWD на Legend), Volvo, Kia, нынешняя Mitsubishi (кроме Outlander первого поколения и трансмиссии SuperSelect), Toyota RAV4 (с тертьего поколения) и т.д.
• Часть on-demand систем нельзя воспринимать иначе, как насмешку. Медленная DPS первого поколения на Honda, ненадёжный и грубый TOD на первом Kia Sorento, очень грубая муфта Borg на первом Kia Sportage, пауза две секунды (!) перед включением второй оси на Opel Antara и т.д. В то же время, "дорогие" версии on-demand 4WD (Nissan All Mode 4x4-i, BMW xDrive) вплотную приближаются к "дешёвым" full-time 4WD.
• Ключевая разница между "хорошими" и "плохими" on-demand 4WD - это умение действовать превентивно с одновременным использованием электронных блокировок колёс. Это позволяет сгладить негатив от отсутствия межосевого дифференциала и свести проскальзывание муфты, а значит и перегрев, к минимуму.

Соответственно, обычный ("плохой") on-demand 4WD повышает проходимость, но так себе (поздно включается, не даёт полной блокировки, перегревается), управляемость и динамику не повышает, занимает среднее место по себестоимости (чем хуже, тем дешевле).

Превентивный же, "хороший" on-demand 4WD даёт хорошие и проходимость, и динамику, и управляемость (особенно - с электронными блокировками колёс) и имеет ту же среднюю себестоимость (лучше привод - сложнее электроника).

Тенденция перехода on-demand 4WD на электромагнитные муфты вполне понятна. Они дёшевы и просты в производстве и настройке, позволяют добиться нужного поведения автомобиля. Но до постоянного 4WD им всё ещё весьма далеко ;)

Что тут скажешь. Лучшее, о чем может мечтать человек. Но, к сожалению, такие системы технологически дороги, т.к. включают в себя межосевой дифференциал с ручной или автоматической блокировкой. Ведь если машину оснастить тремя свободными дифференциалами (два межколёсных и один межосевой) вообще без блокировок, то при проскальзывании единственного колеса всё вращение пойдёт именно на него, и такая машина не сможет сдвинуться с места.

Как правило, на тяжёлых внедорожниках дополнительно системе постоянного 4WD используются блокировки межколёсных дифференциалов, понижающие передачи в раздатке, опциональное отключение одной из осей (например, SuperSelect), часто — «электронные блокировки» колес. В самом простом виде постоянный полный привод выглядит как межосевой дифференциал с вискомуфтой, распределяющий момент по осям 50/50:

Важно. Хотя постоянный 4WD 50/50 («симметричный») - наилучший с точки зрения устойчивости, часто применяют и другие распределения момента (55/65 на Suzuki Grand Vitara, 33/67 на Mitsubishi Pajero, 40/60 и 30/70 на Mercedes-Benz — «для сохранения заднеприводного характера автомобиля»). Такие несимметричные схемы, хоть и менее устойчивы, позволяют применять к автомобилю "типовые" приёмы выхода из аварийных ситуаций на тяге. Симметричную же машину очень трудно в такую ситуацию загнать, но уж если загнал - вытащить ещё труднее.

Автомобили с постоянным полным приводом являются эталоном с точки зрения управляемости под тягой, особенно в сложных условиях (снег, лед, лужи, песок), их крайне трудно «уронить». Под тягой они легко держат недоступные моноприводам траектории, вдвое легче стартуют с места (физику не обманешь — сила трения покоя та же, а сила, срывающая колесо в скольжение, вдвое меньше) и очень устойчивы даже при аквапланировании (т.к. при «всплытии» одного колеса не происходит никаких рывков — вторая ось продолжает ровно толкать машину). Кроме того, по долгому опыту эксплуатации, резина на таких машинах изнашивается заметно медленнее даже при динамичной езде (т.к. энергия равномерно распределяется по всем колёсам, а не только по одной ведущей оси).

Таким образом, Full-time 4WD средне повышает проходимость (при наличии межколёсных блокировок — прекрасно), прекрасно повышает динамику и управляемость, но самый сложный и дорогой по себестоимости.

Отметим, что некоторые модели с постоянным 4WD (например, Jeep Grand Cherokee 1999 модельного года) имеют варианты трансмиссии с тремя дифференциалами переменной степени блокировки (два межколёсных и один межосевой), что позволяет автомобилю выезжать из грязи «на одном колесе», т.е. передавать в сложных условиях весь момент на единственное загруженное колесо. Круче этого в мире полного привода не бывает вообще ничего.

Помимо традиционных механических, существуют также и механически незамкнутые 4WD. В них вращающий момент передаётся на вторую ось электрически либо гидравлически.

Так, под брендом AddiDrive (фирма Pocline Powertrain, Франция) предлагается к установке на любой автомобиль, даже на тяжёлые грузовики, гидравлическая механически незамкнутая 4WD-система. Она состоит из гидравлического насоса, установленного на выходном валу штатной коробке передач через мокрое сцепление, блока управления, гидросистемы под днищем машины и либо одного гидромотора с полуосями к колёсам второй оси, либо двух раздельных гидромоторов - по одному на каждое колесо второй оси:

AddiDrive передаёт момент на вторую ось на скорости до 40 км/ч с давлением в гидросистеме до 450 бар и КПД около 70%.

AddiDrive так соотносится с задачами полного привода:

• повышение проходимости — так себе (схема не предназначена для внедорожных нагрузок);
• повышение управляемости — никакое (из-за низкой скорости срабатывания гидравлики и иного предназначения данной схемы привода);
• повышение динамики — хорошее (если настроить на работу с низких оборотов);
• упрощение конструкции — прекрасное.

Появление электромоторов в качестве вспомогательных движителей (в частности, на гибридных машинах) также породило схему полного привода, при которой ведущая ось от двигателя внутреннего сгорания у автомобиля только одна (как правило, передняя), а на вторую ось ставится электромотор, электронно синхронизируемый с основным ДВС. Такая схема исключает механику дифференциалов и карданов и потому является достаточно «дешёвой» в реализации (насколько вообще бывает дешёвым гибридный автомобиль). Если же поставить на колеса раздельные электромоторы, то из конструкции также исключается сама вторая ось и дифференциал на ней. Подобный электрический полный привод называется e-4WD.

По такой схеме реализованы некоторые версии праворульного Nissan March, а также печально знаменитый Lexus RX450h (слабая тяга электромоторов на задней оси не даёт ему возможности забираться на уклоны, легко одолеваемые обычным Lexus RX 4WD).

Очевидно, при дальнейшем развитии электроники и электротяги автомобилестроение придёт именно к этой или подобной схеме. Например, на машину будут ставить 4 мотор-колеса, вообще механически не связанных между собой.

Важно, что всё-таки в большинстве гибридов с полным приводом схема полного привода остаётся неизменной от базовой модели, а гибридный привод присутствует в схеме как дополнительная силовая установка перед раздаткой. Не перепутайте.

Электрический e-4WD так соотносится с задачами полного привода:

• повышение проходимости — так себе (схема не предназначена для внедорожных нагрузок);
• повышение управляемости — прекрасное (если реализована возможность «тонкой» корректировки электротяги по командам систем стабилизации);
• повышение динамики — прекрасное (момент электродвигателя тем выше, чем ниже обороты);
• упрощение конструкции — прекрасное.

Помимо собственно привода «на все копыта», иногда применяют компромиссное решение — одна ведущая ось, но с ручной или автоматической межколёсной блокировкой. Это заметно снижает проблемы с управляемостью «обычного» монопривода на сложных покрытиях (т.к. сглаживаются рывки при проскальзывании одного из колёс) и повышает проходимость до уровня простой «парковки в сугробе».

Примеры таких решений:

• Mazda3 MPS с передним самоблоком;
• Volvo 850 с принудительной блокировкой переднего дифференциала на скорости до 40 км/ч;
• типовые самоблоки на массовые модели LADA.

Понятно, что в этом случае повышение проходимости, устойчивости и динамики не сказать чтобы особенное — но ведь и конструкция проще и дешевле некуда :)