Развитие компоновки трансмиссии

 

Честь создания классической (заднеприводной)трансмиссии легкового автомобиля принадлежит Луи-Рене Панару (Louis-Rene Panhard) и Эмилю Левассору (Emile Levassor) в 1891 году: спереди расположен вертикальный двигатель, к которому примыкало сцепление, коробка передач, карданный вал, дифференциал (изобретен в 1877 году Старлеем и Пекером) с распределителем и жесткая задняя ось с ведущими колесами.

Конструкция с поворотными кулачками и трапецией повышала устойчивость автомобиля и характер управления. В коробке передач использовались неизвестные ранее скользящие шестерни, однако другие технические решения сохранялись от конных экипажей. У автомобиля «Panhard et Levassor-4СV» были и недостатки: сцепление представляло собой грубый механизм, главная передача - цепная, дифференциал - самой простой конструкции.

В 1898 году Луи Рено (Louis Renault) строит автомобиль с двигателем De Dion мощностью 1,75 л.с. на трубчатой раме с революционной по тем временам коробкой перемены передач с высшей (прямой) передачей и карданной передачей (вместо цепной) к заднему мосту (Рис. 1, а).

Рис. 1. Эволюция компоновки трансмиссии автомобиля:

а) механическая 4х2 с задним приводом; б) механическая 4х2 с передним приводом; в) механическая 6х4 с проходным мостом; г) гидравлическая или электрическая 4х2 с мотор-колесами; д) мостовая механическая 8х8; е) бортовая механическая 8х8 (1 - двигатель, 2 - сцепление, 3 - коробка передач, 4 - карданная передача, 5 - главная передача и межколесный дифференциал, 6 - шарниры равных угловых скоростей, 7 - раздаточная коробка, 8 - межосе­вой дифференциал, 9 - насос или генератор, 10 - гидро- или электродвигатель, 11 - колесный редуктор, 12 - бортовая передача)

 

Популярность цепного привода постепенно пошла на спад. Однако процесс развивался неспешно: на состоявшейся в 1903 году в Париже автомобильной выставке более 60% всех машин использовали задний мост с цепным приводом. К 1906 году наметился отход от цепной передачи к карданной передаче. Правда, на мощных быстроходных автомобилях сохранялась цепная передача к ведущим колесам, по мнению специалистов, обеспечивая меньшие неподрессоренные массы.

Англичанин Фредерик Ланчестер (Frederick Lanchester) создал свой автомобиль в 1895 году, который, по словам летописца автомобилестроения Энтони Берда, «был первый легковой автомобиль в мире, созданный на научной основе как единое целое». Оппозитный двигатель работал в паре с планетарной коробкой передач, от которой крутящий момент передавался коротким карданным валом червячной передаче заднего моста. Задний мост был оснащен шарикоподшипниками и шлицованными полуосями, что казалось высшим достижением технической мысли. Все узлы были стационарно смонтированы на раме, включая бензобак, придавая конструкции дополнительную жесткость. Кроме того, разработанная Ланчестером главная передача червячного типа имела КПД 97,6%, позволяя заметно снизить потери мощности.

В течение первой половины XX века трансмиссия, в основном, была продольной. Закрепленная спереди коробка передач соединялась карданной передачей с главной передачей в середине балки заднего моста, с ве­дущими колесами с каждой стороны. Карданная передача имела не менее одного шарнира и специальное устройство для небольшого изменения длины для ком­пенсирования перемещения заднего моста относительно коробки передач.

Главная передача изменяла передаточное чис­ло трансмиссии обычно в отношении 4:1, без которой передаточное отношение первой передачи составляло бы примерно 16:1. Кроме того, она включала дифференциал для обеспечения вращения колес с разными скоростями на поворотах. Жесткая труба заднего моста со­держала полуоси одинаковой длины, соединяющие дифференциал и ступицы задних ведущих колес.

С ростом автомобилизации растет доля малоопытных водителей, тре­буя автомобиль с повышенной активной без­опасностью, простой в управле­нии. Таким, в сравнении с автомобилем классической компоновки, явля­ется переднеприводный автомобиль (Рис. 1, б), технологи­ческие преимущества при сборке и ремонте которого привели к тому, что сегодня более 70% выпускаемых в мире легко­вых автомобилей имеют переднеприводную ком­поновку, в основном с поперечным размещением двигателя.

В 1897 году были созданы модели Latil и Graf und Stift с передними ведущими колесами, в 1926 году начат выпуск Tracta - первого серийного переднеприводного автомобиля (двигатель располагался продольно). К началу 1930-х годов относится всплеск конструкций с передними ведущими колесами: Citroen во Франции, Adler и Аudi в Германии, Cord в США. В 1931 году начат выпуск DKW F1 - первого переднеприводного автомобиля с поперечным расположением двигателя и коробки перемены передач.

Наиболее существенные перемены внесли модели Traction Avant (передний привод) фирмы Citroen в 1934 году и Morris Mini в 1958 году, вслед за которыми в шестидесятые годы отмечен невиданный размах выпуска переднеприводных автомобилей. Для первого конструктор Морис Сентурат скомпоновал спереди ра­диатора коробку передач, за ней - главную передачу с полу­осями, а за ней - сам двигатель. Все это четырьмя длинными болтами крепилось к подрамнику несущего цельнометаллического кузова.

Новый период переднеприводных связан с Morris Mini - малогабарит­ным, длиной 3,1 м, микролитраж­ным автомобилем, спроектированным Алеком Иссигонисом (Alec Issigonis) из принципа «главное для легкового автомоби­ля - пассажирский салон (80% длины), остальное (20%) - двигателю и другим агрега­там». Для вместительности салона четырехцилиндровый двигатель (993 см³, 38 л.с., 5250 об./мин) поставлен поперек. Иссигонис, в отличие от предшественников, поставил его спере­ди автомобиля, радиатор сдвинул назад и влево, поставив его рядом с блоком цилиндров. К оробка передач размещалась внутри масляного поддона двигателя с цилиндрической главной передачей, расположенной за двигателем.

Если передние колеса ведущие, двигатель можно устанавливать и продольно, и поперечно с коробкой передач, объединяющей в себе главную передачу с цилиндричес­кими шестернями и дифференциал. Почти все последующие автомобили с поперечным расположением двигателя имели коробку передач, расположенную на одной оси с коленчатым валом. Такая конструкция намного про­ще, но приводит к тому, что двигатель в сборе с коробкой передач становится существенно шире, создавая проблемы с его установкой.

Компоновка с про­дольным расположением двигателя и коробкой передач (заднемоторные автомобили Volkswagen Beetle, Renault 4CV/Dauphine) не имеет тех преимуществ в компактнос­ти, которые имели компоновки с поперечным расположе­нием двигателя. Кроме того, конструкторы стояли перед тяжелым выбором: устанавливать двигатель перед передней осью, делая перегруженной переднюю часть автомобиля и ухудшая аэродинамику автомобиля, или за осью с коробкой передач, размещенной спереди. Во втором случае двигатель бал приближен к переднему сиденью.

При пе­реднем приводе не требуются карданные валы. Для переда­чи крутящего момента на передние колеса, позво­ляя им перемещаться вертикально относительно двигателя и коробки передач, в маленьких автомобилях с задним расположе­нием двигателя 1950-х годов и с независимой подвеской зад­них колес применили различные варианты качающихся полуосей. Но применить качающиеся полуоси с обычными карданными шарнирами в переднем приводе, когда колеса должны по­ворачиваться, невозможно, и необходимо использовать шарниры равных угловых ско­ростей.

Чтобы сделать автомобиль более мощным без создания нового двигателя, в 1935 году конструктор Луиджи Бацци (Luigi Bazzi) разместил один восьмицилиндровый агрегат спереди, другой – за спиной пилота. Ведущими на Alfa Romeo Bimotore были только задние колеса, что потребовало разработки оригинальной трансмиссии (Рис. 2).

 

Рис. 2. Схема трансмиссии Alfa Romeo Bimotore:

1 - маховик; 2 - сцепление; 3 - коробка передач; 4 - вторичный вал коробки передач; 5 - промежуточный вал; 6 - приводные валы задних колес; 7 - кулачковая муфта; 8 - вал заднего двигателя; 9 – полуоси.

 

Под днищем проходила система валов от заднего двигателя, связанного с маховиком основного переднего мотора специальной кулачковой муфтой, с помощью которой можно отсоединить второй двигатель от трансмиссии. Вторичный вал коробки передач сделали полым, пропустив через него промежуточный вал. Крутящий момент от двух моторов через двухдисковое сцепление и трехступенчатую коробку передач передавался на дифференциал, после которого две конические передачи приводили карданные валы, расходящиеся к бортам – к ведущим колесам. Карданы и полуоси также связаны парами конических шестерен. Два двигателя объемом по 3165 см^з каждый развивали в сумме 540 л.с. при 5400 об./мин. Автомобиль достигал скорости 320 км/час, но его гоночная жизнь оказалась недолгой вследствие трудности управляемости автомобилем и его большой массы.

Конструкция привода всех колес была запатентована Робер­том Твифордом 7 июля 1898 года. В Голландии фирма Spyker экспериментально построила в 1903 году опытный полноприводный легковой автомобиль.

Полноприводные автомобили строили Гарри Миллер (Harry Miller) для знаменитых гонок «500 миль Индианаполиса» в 1931 году и Этторе Бугатти (Ettore Bugatti) для гор­ных гонок в 1932 году (Bugatti Type 53 с 300-силь­ным восьмицилиндровым двигателем), после чего появились се­рийные образцы вездеходов. Цель Миллера и Бугатти была иной - применением привода на все колеса они стремились полностью ис­пользовать вес автомобиля в качестве сцепного, повысить стабильность и скорость автомобиля на дорогах.

Как США, так и Германия в 1936-39 годах создавали армейские внедорожные автомобили. Немецкие штабные машины трех унифицированных типов имели независимую подвеску всех колес, колесную формулу 4х4, блокируемые дифференциалы, четыре управляемых колеса. В противовес немецкой конструкции американская - создала простейшие по конструкции джипы с зависимой рессорной подвеской колес. В 1939 году компания American Bantam Car C^o представила Вооруженным силам США легкий дозорный автомобиль - полноприводный Bantam BRC.

По требованиям военного департамента США Studebaker, Chevrolet, International, REO развернули в 1942 году широкомасштабный выпуск трехосных полноприводных грузовиков грузоподъемностью 2,5 т, конструкция которых для многих фирм стала образцом для подражания.

Автомобили с четырьмя ведущими колесами обо­значают 4 WD или 4х4. Имеются причины, чтобы сделать все колеса ведущими: достижение максимального сцепления для движения в плохих дорожных условиях, улучшение управляемо­сти и способности к разгону. Семейство внедорожных и вседорожных автомобилей часто обозначают RV (recreational vechicle - автомобили для отдыха) или SUV (sport utility vehicle - автомобили для спорта).

Дорожная концепция 4 WD возникла с появлением в 1980 году Audi Quattro, не забывая при этом Jensen FF (1966 год) и исследовательскую программу по пол­ному приводу, проводившуюся в Англии в 1950-х и возглав­ленную Гарри Фергюсоном (Harry Ferguson) и Тони. Рольтом (Tony Rolt).

В начале 1990-х производитель считал обязательным предложить полноприводный вариант серийной модели. В сравнении с приводом на два колеса полный привод существенно увеличивает стоимость, массу трансмис­сии и механические потери при вращении подшипников, зацеплении ше­стерен и перемешивании масла, снижая общую работоспособность и топливную экономичность. Поэтому преимущества 4 WD должны перевешивать недостатки.

При бездорожье пол­ный привод дает возможность двигаться медленно и осторожно, в то время когда при двух ведущих колесах приходится «гнать» и есть риск повредить автомобиль или застрять. У 4 WD гораздо боль­ший шанс вовремя затормозить перед тем, как движение станет невозможным, но при за­стревании на мягком грунте он «копает» в два раза быстрее, чем обычный автомобиль. 4 WD придает больше уверенности и обеспечивает мень­ше риска.

Если вы собираетесь осто­рожно ползти вперед, очень важны большие передаточные числа, вот почему внедорожники оборудуют­ся раздаточными коробками - дополнительными 2-ступенчатыми коробками передач, служащими для распределения крутящего момента между ведущими мостами. В раздаточной коробке может осуществляться также увеличение мо­мента, подводимого к ведущим коле­сам автомобиля. Как правило, в раздаточных коробках предусматривается устройство для включения и отключе­ния переднего ведущего моста, а иног­да от раздаточной коробки обеспечи­вается привод дополнительных агрега­тов (например, коробки отбора мощ­ности).

Часто применяются раздаточные коробки с блокированным приводом (приводы всех мостов постоянно жестко связаны друг с другом и всегда вращаются с одинаковыми угловыми скоростями). В таких коробках обычно имеется устройство для отключения привода переднего моста при движении по твердому покрытию с высоким коэффициентом сцепления, позволяя снизить расход топлива, уменьшить нагрузки трансмиссии и износ шин.

Критическим также является максимальный дорожный просвет (клиренс): не имеет никакого смысла иметь настоящий полный привод, если середина автомоби­ля застревает на кочке. Для 4 WD при разных условиях движения нужны разные типы шин.

Конструкция 4 WD должна предусматривать устройства, не допускающие буксова­ния одного колеса и пол­ного обездвиживания автомобиля. В руках опытного водителя автомо­биль с приводом на два колеса, с низкими передаточными числами, достаточным клиренсом и подходя­щими шинами, возможно, проедет дальше, чем полноприводный авто­мобиль, поскольку первый автомо­биль будет легче, а вес - один из вра­гов движения по бездорожью.

На твердой доро­ге полный привод мощно­го автомобиля дает преимущества на скользкой дороге, потому что он будет способен разгонять­ся быстрее (хотя он не сможет быстрее остановиться). В отношении вли­яния полного привода на управляемость и устойчивость он дает небольшое преимущество в устойчивости на скользких до­рогах, но обеспечивает более легкий контроль над автомо­билем в пограничных условиях (намного легче контролировать, чем заднеприводной автомобиль). На су­хих поверхностях с высоким коэффициентом сцепления преимущества проблематичны.

Имеется стандартная компоновка трансмис­сии 4WD c продольно расположенным двигателем, передающим крутящий момент через коробку передач, затем через короткий карданный вал в центральный узел трансмиссии, который может быть раздаточной коробкой или распре­делителем момента вперед-назад, и межосевой дифференциал. В некоторых SUV с короткой колесной базой первич­ный карданный вал может отсутствовать, и центральный узел трансмиссии является продолжением коробки передач.

Не­обходимость в межосевом дифференциале обусловлена тем, что при повороте автомобиля не только внутренние колеса вращаются медленнее, чем наружные, но и задние колеса двигаются медленнее, чем передние. Без межосевого дифференциала передние и задние колеса будут противодей­ствовать друг другу, увеличивая износ шин. Это можно допустить для автомобилей, использующих 4 WD толь­ко на скользких дорогах и переключающих привод на два коле­са на твердых (SUV сохраняют привод четырех колес все время).

От центрального узла трансмиссии крутящий момент передается к передней и задней главным передачам, и к четырем колесам с помощью двух коротких карданных валов. Выходной вал к задним колесам может находиться на одной линии с входным, а выходной вал к пе­редним колесам может выступать в сторону, при этом пере­дача крутящего момента на него осуществляется с помощью цилиндрической передачи или многозвенной цепью.

Со смещением в сторону передняя главная передача расположена близко к двигателю или непосредственно под поддоном двигателя. Смещение особенно важно при использовании неразрезной балки моста, поскольку она пе­ремещается вверх и вниз. В некоторых моделях передний и задний карданные валы находятся на одной линии друг с дру­гом, а обе главные передачи смещены в сторону (компоновка при использовании раз­даточной коробки).

Преимущество применения неразрезных балок мостов для 4 WD заключается в постоянстве расстояния между корпусом главной передачи и дорогой, в то время как при независимой подвеске это рас­стояние может сильно уменьшаться при полном сжатии уп­ругих элементов подвески.

Главные передачи должны передавать высокие значения крутящего момента, если автомобиль может использовать понижающую передачу в раздаточной коробке. Поскольку большое пере­даточное число понижающей передачи значительно увели­чивает крутящий момент двигателя, и, если центральный дифференциал имеет устройство повышенного трения, спо­собность к передаче крутящего момента главной передачей должна быть еще больше. Следовательно, передняя и задняя главные передачи ав­томобилей 4 WD обычно больше и тяжелее, чем на простых легковых автомобилях.

Межосевой дифференциал может распределять крутящий момент несимметрично. Если распределение не 50:50, то большая часть момента обычно передается к зад­ним колесам. Когда автомо­биль движется вверх или ускоряется, происходит перераспределение массы назад, поэтому задние колеса могут реализовать больший крутящий момент, чем передние. Создать привод к задним колесам, способный воспринимать большую часть момента, легче - он не дол­жен найти свой путь, минуя двигатель, к передней главной передаче. Уменьшение доли крутящего момента, поступающего к передним колесам, улучшает управляемость автомобиля и меньше подвергает ее влиянию изменения кру­тящего момента.

Раздаточная коробка может обеспечить прямую передачу или понизить передаточное число привода в соотношении при­мерно 2:1 для работы на низких скоростях. Это может быть двухвальная коробка, в которой оба вала связаны зубчатой передачей (обычно одна пара шестерен с большим переда­точным числом для понижающей передачи, а вторая пара – повышающая).

Понижающая передача обычно имеет передаточное число, обеспечивая движение на первой передаче с полностью отпущенной педалью сцепле­ния со скоростью пешехода. Она также полезна для спуска с крутых склонов без помощи тормозов, применение которых может быть опасным.

Раньше в раздаточных коробках использовали кулачковые муфты для вклю­чения передач и переключения между низшей и высшей пе­редачами, что приводило к необходимости почти полной остановки автомобиля. Современные трансмиссии 4 WD по­зволяют производить переключения на средних скоростях. Если установлено специальное сцепление для включения или отключения двух колес, включение понижающей передачи автоматически включает привод на четыре колеса (на высшей передаче отключает), что позволяет делать привод «подключаемым» в отличие от «постоянного» 4 WD.

Примером может служить система первых Land Rover, когда ступицы передних колес имели «обгонные муфты», обеспечивающие на крутых поворотах свободное качение пе­редних колес без противодействия задним. Хотя, в зависимости от «внедорожных» условий раздаточная коробка может быть исключена, уменьшая стоимость, вес и экономя место.

При потере сцепления одного из колес с дорогой при использовании трех дифференциалов крутящий момент не сможет передаться ни к одному из других трех колес. Поэтому, межосевой дифференциал снабжают блокировкой (начиная с Jensen FF): при проскальзывании колеса с одной стороны автомобиля, крутящий момент пере­дается колесам другой стороны автомобиля.

При полном бло­кировании весь крутящий момент передается в одном направлении, означая, что карданный вал и полуоси должны быть сделаны вдвое более прочными, не допуская перегрузки и возможности поломки.

В боль­шинстве современных 4 WD трансмиссий межосевой дифференциал заменяют вязкостной муфтой, автома­тически перераспределяемой крутящий момент при проскальзывании колес с другой стороны авто­мобиля.

Большинство «серьезных» SUV имеют непосред­ственную блокировку заднего дифференциала, которая в случае пробуксовки одного из задних колес в грязи или на другой подобной поверхности, может пе­редавать крутящий момент к остальным трем колесам. Блокировка дифференциала передней оси обычно не предусматривается из-за воз­действия на управление. В любом случае чаще в плохих до­рожных условиях застревают задние колеса, и если нет никакого выхода, то может помочь приводимая от двигате­ля лебедка с тросом, которой оборудуются некоторые RV.

Дорожные 4 WD представляют собой полноприводные версии взятых стандартных переднеприводных или заднеприводных легковых автомобилей.

Если базовый автомобиль имел привод на передние ко­леса, то адаптация к полному приводу непосредственная. При продольном расположении двигателя и трансмиссии (большинство Audi и Subaru Impresa) устройство привода на все колеса может быть до­вольно простым: привод к задним колесам забирают из задней части стандартной коробкой передач с помощью карданной передачи и новой главной передачи заднего моста. Межосевой дифференциал встраивается в увеличенный картер коробки передач. Адаптация автомо­биля с задним расположением двигателя (Porsche Carrera) является зеркальным отражением первого варианта, только карданная передача направлена к перед­нему мосту, с дополнительной главной передачей.

Автомо­били с двигателем посередине представляют большую проблему на практике, но таких автомобилей с приводом на четыре колеса довольно мало (Bugatty ЕВ 110, Jaguar XJ220). На Bugatty крутящий момент между передними и задними колесами распределялся в со­отношении 27:73, хотя и межосевой, и зад­ний дифференциалы имели повышенное трение. Передняя главная передача получилась сравнительно небольшой, иначе могла создать проблемы в размещении привода к передним колесам.

Автомобили с центральным поперечно расположенным двигателем (MGF и Toyota MR2) реально очень трудно адаптировать для 4 WD.

Для переднеприводных автомобилей с поперечным располо­жением двигателя для адапта­ции в 4 WD доволь­но легко переделать корпус главной передачи, расположив его за двигателем, используя для передачи крутящего момента карданный вал и новую главную передачу (Lancia Integrale, Mitsubishi, Volkswagen Sincro, Jaguar X-type). Настоящим инженерным вызовом можно считать адап­тацию переднеприводного автомобиля, когда полностью переделывается задняя часть автомобиля. Начинают с неведущих задних колес и относительно простой подвески, находя место для карданной передачи, задней главной передачи и новой более тяжелой и сложной задней подвески.

Когда базовый автомобиль имеет привод на задние коле­са (двигатель расположен спереди) пе­реоборудование в вариант 4 WD напоминает трансмиссию SUV, с раздаточной коробкой и межосевым дифференциалом, установленным в заднем расширении продольной коробки передач. Здесь всегда используют несимметричное распределение крутящего мо­мента, обычно в соотношении переднего к заднему, как 35:65.

В отличие от внедорожников, дорожные 4 WD оборудуются независимыми подвесками, а корпуса главных передач с обеих сторон при­крепляются к кузову автомобиля, упрощая конструкцию карданных валов, делая легче установку переднего кардан­ного вала рядом с масляным поддоном двигателя, усложняя конструкцию приводных полуосей.

Наибольший интерес в большинстве 4 WD автомобилей вызывают устройства повышенного трения, применяе­мые в качестве межосевых и задних дифференциалов. В пре­жних моделях использовались вязкостные муфты и дифференциал Torsen. Иногда использовалось их сочетание, вяз­костные в качестве межосевых дифференциалов, a Torsen в качестве заднего. Используются также вязкостные муфты с контролируемой степенью блокировки (диски муфты могут сжиматься между собой), применяемые для управле­ния распределением крутящего момента между передними и задними колесами под электронным контролем, с про­граммным обеспечением, учитывающим разнообразные факторы (скорость автомобиля, угловая скорость колес, поперечная сила). Конструкторы современных SUV предпочитают простым блокиров­кам дифференциалов чувствительные устройства, управляющие сцеплени­ем с дорогой и поведением автомобиля.