Все четыре колеса...
Количество полноприводных моделей автомобилей, способных преодолевать тяжелое бездорожье, неуклонно стремится к нулю. Одновременно с этим полноприводными трансмиссиями все чаще оснащаются «подорожные» автомобили.
Что заставляет автопроизводителей идти по пути усложнения конструкции трансмиссии, как эволюционировал полный привод и как он устроен?
У большинства людей понятие «полный привод» прочно ассоциируется с внедорожником. Действительно, один из неотъемлемых атрибутов настоящего «проходимца» – колесная формула 4 × 4 (четыре колеса, все четыре – ведущие). Острословы метко именуют автомобили повышенной проходимости «четыре везде», имея в виду одно из принятых обозначений полноприводников – 4WD (Four Wheel Drive), или в русской транскрипции – «четыре вэ дэ». Однако в этот раз речь пойдет не об автомобилях, на которых можно смело «лезть в говны». Таких в программах автопроизводителей, к сожалению для многих любителей путешествий и автомобильного экстрима, осталось буквально единицы. Темой разговора будут полноприводные автомобили, предназначенные для передвижения по дорогам, пусть заметенным снегом и покрытым льдом, но все-таки дорогам.
В эту категорию можно отнести на вид обычные легковые автомобили и всю многочисленную группу так называемой автотехники спортивного назначения – SUV (Sport Utility Vehicles). Кстати, трудно придумать более абсурдное название – какое отношение к спорту имеет чрезмерно большой и тяжелый «шарабан» с немаленьким прожорливым мотором? Ровно такое же, как и к форсированию бездорожья. Ведь полный привод и увеличенный дорожный просвет – далеко не единственные атрибуты настоящих «проходимцев». Тем более что и конструкция трансмиссии не совсем та, и просвет не так светел, о чем предупреждают сами автопроизводители. Единственная доступная «сувам» зона вне дорог – придорожные бордюры и обочины, что не без риска демонстрируют некоторые их владельцы. Пожалуй. ближе к истине многочисленные критики этой выдуманной маркетологами автобизнеса абракадабры. Они расшифровывают аббревиатуру SUV как Super Useless Vehicle, т. е. «супер бесполезный автомобиль» – совсем не городской, на трассе – далеко не лучший, вне дорог – так себе. Впрочем, поговорку «понты дороже денег» тоже неглупые люди придумали, а если продолжить «…и важнее практичности», то и производителей, и потребителей «излишеств разных нехороших» понять можно. По большому счету, нам все равно, как называют этот «мейнстрим» мирового автомобилестроения. Главное, что «сувы» – автомобили дорожные и, по большей части, полноприводные.
Прежде чем продолжить, внесем ясность в терминологию. За рубежом (правда, не везде и не всегда) термином 4WD принято называть трансмиссии, которые могут работать в двух основных режимах: с передачей крутящего момента от двигателя ко всем колесам или к колесам одной из осей. Причем переключение режимов – забота водителя, которую он осуществляет с помощью различных устройств: механических, пневматических, электрических и т. п. Режим выбирается в зависимости от дорожных условий. Вторую ось рекомендуется подключать только в случае, когда они никудышные: в снег, гололед или при движении без дорог. На покрытии с высокими сцепными свойствами это делать запрещено, так как грозит поломкой трансмиссии (почему – выясним позже). Трансмиссии типа 4WD также называют part time, по-русски – подключаемый полный привод. Поскольку на «реальных жыпах» традиционно использовались трансмиссии с такой логикой работы, к ним (жыпам) и приклеилось выражение «четыре везде», в смысле «воткнул» все четыре – и гоняй везде и всюду.
Столь же часто употребляемая аббревиатура AWD (All Wheel Drive) используется для обозначения трансмиссий типа full time, т. е. с постоянно включенным полным приводом или полным приводом, который подключается автоматически вне зависимости от воли драйвера. AWD-трансмиссиям не страшны любые дорожные условия. Это, безусловно, не значит, что не существуют правила их эксплуатации, ограничения или рекомендации автозавода. Иногда общепринятую терминологию нарушают, порой по незнанию, порой – намеренно, в интересах поминавшегося выше маркетинга. Поскольку нам чужды маркетинговые интересы, постараемся следовать правилу, по крайней мере там, где это зависит от нас.
Вначале прикинем, чем «грозит» дорожному автомобилю полноприводная трансмиссия. Сразу оговоримся, что на этот счет существуют противоречивые мнения. Апологеты полного привода доказывают, что он – чистое благо. Противники выкатывают внушительный перечень недостатков.
В стремлении доказать свою правоту и те и другие слегка шельмуют, выбирая в качестве примеров трансмиссии таких конструктивных схем и принципов действия, которые наилучшим образом иллюстрируют их аргументы. Рассуждая логически и не вдаваясь в детали устройства, можно отметить следующие недостатки полного привода в сравнении с приводом колес одной оси.
Во-первых, в полноприводной трансмиссии выше потери мощности. Каждая «лишняя» пара шестерен, карданный шарнир, цепная передача, ШРУС и т. д. имеют КПД меньше единицы и неумолимо съедают суммарный КПД трансмиссии, так что «на круг» набегает немало. Во-вторых, все эти «излишки» добавляют автомобилю веса, по самым скромным оценкам, килограммов 50–100. Это равносильно тому, что владелец полноприводного авто постоянно возит с собой лишнего пассажира: кто-то миниатюрную девушку, кто-то – здоровенного бугая. Отсюда проистекают (при прочих равных и в обычных условиях движения) такие следствия, как больший расход топлива, вредные выбросы и худшая динамика. В-третьих, согласно всеобщему закону техники увеличение количества компонентов системы однозначно отражается на ее надежности – вероятность отказа повышается. В-четвертых, более сложная трансмиссия стоит дороже. Следовательно, растет и цена автомобиля. Помимо этого отметим менее однозначный момент. Наличие тяги на всех четырех колесах способно значительно изменить характеристики управляемости и поворачиваемости автомобиля, а также реактивную силу на рулевом колесе («чувство руля»). В общем случае не в лучшую сторону. Чтобы выправить ситуацию, конструкторам приходится поломать голову над подвеской, рулевым механизмом, распределением массы между осями (развесовкой) и т. п. Казалось бы, какое дело до этого покупателю автомобиля – не его проблемы. Но давайте не будем забывать, что в конечном счете все оплачиваем мы, потребители. В том числе и усилия разработчиков.
Пока читающие эти «лживые строки» поборники идеи полного привода не закипели от негодования, спешим сообщить, что правда есть и на их стороне. Если бы у полноприводных трансмиссий не было достоинств, причем таких, которые перевешивают озвученные недостатки, кому пришло бы в голову применять их в конструкции серийных дорожных автомобилей? Что же дает полный привод «подорожным» автомобилям? Если не умничать, можно сказать, что полноприводная трансмиссия «дает» не автомобилю, а драйверу: она позволяет увереннее контролировать автомобиль. Подчеркнем – при движении в сложных дорожных условиях. Как следствие, улучшаются потребительские качества автомобиля и, главное, возрастает безопасность «ездоков». А за безопасность, сами понимаете, не жалко заплатить и довольно высокую цену.
Как полный привод улучшает контроль над автомобилем? Начнем с самого простого и понятного. У автомобиля с четырьмя ведущими колесами меньше вероятность попасть в «безвыходную ситуацию». Многим из личного опыта известно, что машина с одноосным приводом обездвиживается довольно просто – достаточно заехать одним ведущим колесом на скользкую поверхность. Крутящий момент на проскальзывающем колесе станет близким к нулевому, свободный дифференциал моментально обнулит момент и на другом колесе оси и – приехали. В подобных случаях преимущества на стороне автомобилей со всеми ведущими колесами. Конечно, если в конструкции полноприводной трансмиссии приняты меры для независимого распределения крутящего момента между колесами. Такие меры, как правило, применяются. Полноприводник с продвинутой трансмиссией сохраняет способность к передвижению до тех пор, пока хотя бы одно колесо имеет сцепление с дорогой.
Полноприводные автомобили испытывают меньше проблем при резком ускорении. А какие вообще тут могут быть проблемы? Да никаких, если автомобиль стартует на дороге с хорошими сцепными свойствами и тяговые характеристики его двигателя не избыточны. В противном случае крутящий момент, который способно передать колесо, будет ограничиваться не тягой двигателя, а сцепными свойствами колеса с покрытием. Если сила сцепления, зависящая от коэффициента трения и весовой нагрузки, будет превышена, начнется проскальзывание колеса. С увеличением скольжения коэффициент трения вначале растет, а затем начинает быстро уменьшаться и проскальзывание развивается. Ускорение со значительным скольжением колес (с пробуксовкой) выглядит эффектно, но абсолютно не эффективно – шума, а то и дыма много, а толку мало. Не составит труда понять, что опасность пробуксовки у полноприводного автомобиля в общем случае вдвое меньше – крутящий момент двигателя распределяется между четырьмя, а не двумя колесами. По этой же причине полноприводный автомобиль позволит водителю чувствовать себя увереннее на горных дорогах, особенно в условиях скользкого покрытия. Он сможет преодолеть такие подъемы, на которых обычный автомобиль будет безнадежно буксовать. При движении под уклон полный привод «простит» водителю ошибки, которые в случае обычной трансмиссии могут вызвать опасное скольжение колес ведущего моста.
Это то, что касается случаев прямолинейного движения автомобиля. Если говорить о маневрировании, тем более с довольно высокими скоростями, у полноприводников и здесь есть преимущества и, что не менее важно, большой потенциал для наращивания своего превосходства. Управляемый полный привод с регулируемым распределением крутящего момента все чаще используется в качестве одной из систем активной безопасности. Пояснить это не умничая не получится. Придется вспомнить такие характеристики автомобиля, как управляемость, устойчивость, поворачиваемость, и оценить, как полный привод может их улучшить. Этим мы и сейчас и займемся.
Теория движения колесных машин (для краткости будем называть эту науку ТДКМ) утверждает, что прямолинейное движение – понятие условное. Автомобили большую часть времени движутся криволинейно: изменяют траекторию под действием боковых сил, перестраиваются, объезжают препятствия, поворачивают. Собственно поворотом принято называть такое криволинейное движение, которое совершается по желанию водителя и при его содействии. Каждому водителю из личного опыта известно, что желание выполнить поворот на высокой скорости может привести к буквально катастрофическим последствиям. К каким и почему? Вот как отвечает на эти вопросы теория.
Погружение в теорию
ТДКМ – штука довольно сложная для восприятия. Поэтому погружаться в нее будем с осторожностью и лишь настолько, чтобы в принципе разобраться, в чем может быть польза полноприводной трансмиссии при скоростном маневрировании. Согласно теории предельными случаями потери устойчивости автомобиля являются неконтролируемое боковое скольжение (занос) одной или нескольких осей и опрокидывание. Первый из них наиболее распространенный. Так что будем искать условие возникновения заноса оси при прохождении поворота.
При повороте автомобиля с высокой скоростью главным «возмутителем спокойствия» является центробежная сила (ЦС):
Fцб = mаV2/rп ,
где mа – масса автомобиля; V – скорость; rп – радиус траектории поворота.
По направлению действия ЦС является боковой (или поперечной) силой. Ее равнодействующая считается приложенной в центре масс автомобиля. Поскольку ЦС имеет инерционный характер, она «делится» между колесами в соответствии с распределением массы по автомобилю (его развесовкой). Чем ближе к оси расположен центр масс, тем большая часть ЦС приходится на ось и, в свою очередь, на каждое ее колесо. Таким образом, каждое колесо автомобиля в повороте нагружается боковой силой.
Не будь никакого механизма противодействия боковым силам, колеса (а вместе с ними и автомобиль) бесконтрольно смещались бы на внешнюю часть траектории. Что удерживает их от перемещения? Логика и знание основ физики подсказывают: «тут не обходится без сил сцепления колеса с дорогой». Действительно, они имеют место быть. Но ограничиться такой фразой значило бы профанировать науку о движении автомобилей – она не отражает всей сложности процессов в контактной зоне колеса, описанию которых посвящена примерно треть увесистого «талмуда» ТДКМ. Поэтому позволим себе еще несколько фраз.
Согласно ТДКМ, как только на катящееся эластичное колесо действует любая поперечная сила (центробежная, сила ветра и т. д.), возникает его боковой увод. Вектор скорости колеса отклоняется от плоскости вращения в направлении действия боковой силы. Иными словами, колесо движется под углом к плоскости вращения, который называют углом увода. В результате движения колеса с уводом в пятне контакта возникает так называемая боковая реакция (Ry), которая уравновешивает ЦС и препятствует скольжению колеса. Механизм ее формирования объясняется так. Боковая сила смещает колесо в поперечном направлении, в то время как часть шины в районе опорной площадки остается на месте за счет сцепления. В результате происходит сложная боковая деформация шины, изменяются форма и ориентация пятна контакта. В зоне деформации возникают поперечные касательные напряжения, которые в сумме и составляют боковую реакцию колеса. Она действует на колесо со стороны дороги. «По Ньютону» боковая реакция равна по величине боковой силе и направлена противоположно ей. Соответственно, сумма боковых реакций всех колес равна равнодействующей ЦС.
Явление бокового увода важно как минимум по двум причинам. Во-первых, уводом определяется способность колеса воспринимать боковую нагрузку. Эта способность появляется только тогда, когда колесо катится под углом к направлению движения. Во-вторых, установившиеся под действием боковой силы углы увода колес в конечном счете определяют кинематику движения автомобиля при маневрировании. В реальных условиях они могут достигать величины порядка 10°, что соизмеримо с углом поворота управляемых колес. Не случайно соотношение углов увода колес передней и задней оси характеризует поворачиваемость автомобиля. Колеса могут одновременно двигаться с разными углами увода, что создает сложную для анализа картину. Для ее упрощения рассматривают «велосипедную» схему. Пару колес одной оси представляют в виде одного колеса, расположенного на оси симметрии автомобиля, а угол его увода принимают равным среднему значению.
Определим граничные условия устойчивого движения автомобиля в интересующем нас случае скоростного поворота в свете концепции бокового увода. По мере роста боковой силы (ЦС) углы увода колес автомобиля возрастают. В свою очередь, это приводит к увеличению боковых реакций. В то время как для роста боковой силы теоретически нет предела, боковая реакция небеспредельна. Это видно из кривой зависимости боковой реакции от угла увода (график 1). На ней можно выделить три характерных участка. Участок 0b соответствует повороту с умеренной скоростью (или небольшой кривизной траектории), когда центробежные силы невелики. В этом случае боковая реакция и угол увода связаны прямо пропорциональной зависимостью:
Ry = kyδ.
Здесь Ry – боковая реакция, δ – угол увода, ky – коэффициент сопротивления боковому уводу шины.
Коэффициент сопротивления боковому уводу – важная характеристика шины, зависящая от большого количества ее технических и эксплуатационных параметров: конструкции, геометрии профиля, внутреннего давления, весовой нагрузки на колесо и др. Численно коэффициент равен тангенсу угла наклона отрезка 0b к оси абсцисс. Чем он выше, тем большую боковую реакцию способна генерировать шина при данном угле увода и тем большую боковую силу она может воспринимать. Увеличению коэффициента сопротивления боковому уводу способствуют, например, такие меры, как использование широких, низкопрофильных шин, повышение давления в шине и прижимной силы.
Когда углы увода становятся больше 2–4°, в пятне контакта начинается частичное проскальзывание участков шины и рост боковой реакции замедляется (участок bс). При дальнейшем увеличении угла увода (т.е. боковой силы) проскальзывание растет. В точке с боковая реакция достигает критического значения и начинается полное скольжение контактной зоны колеса в боковом направлении (участок сd). Максимальная боковая реакция колеса определяется силой его сцепления с дорогой:
Ry max = φуRz,
где φу – коэффициент сцепления в поперечном направлении (по сути – коэффициент трения скольжения), в наибольшей степени зависящий от свойств шины и состояния дорожного покрытия;
Rz – вертикальная реакция, равная весовой нагрузке на колесо.
Отсюда можно выразить условие возникновения заноса оси автомобиля:
Ryo ≥ φуRzo,
где Ryo и Rzo – боковая и вертикальная реакции, действующие на пару колес оси.
Видно, что с уменьшением нагрузки на ось опасность ее заноса увеличивается. Нужно отметить, что занос одной из осей не всегда означает потерю устойчивости всего автомобиля. Он наиболее опасен, если возникающая в результате заноса оси сила инерции суммируется с ЦС. В этом случае неустойчивость развивается лавинообразно. Такая картина наблюдается при скольжении задней оси, в то время как занос передней оси гасится автоматически.
Ближе к теме
Если все сказанное до сих пор понятно, остается непонятным одно – какое отношение к этому имеет схема трансмиссии автомобиля. Действительно, полученное нами условие заноса оси не содержит величин, непосредственно зависящих от типа привода. Разве что вертикальная реакция оси Rz0, которая определяется развесовкой автомобиля. По идее, наиболее склонными к потере устойчивости под действием ЦС должны быть переднеприводные автомобили с их наименее нагруженной задней осью. И наоборот, задне- и полноприводные машины с их более равномерной развесовкой должны демонстрировать лучшую устойчивость. Но, во‑первых, развесовка не всегда строго определяется типом привода. Во-вторых, она изменяется с загрузкой автомобиля. В-третьих, мы судим об устойчивости автомобиля в условиях действия только боковой силы. А это всего лишь частный случай динамичного маневра, соответствующий повороту с отпущенной педалью газа.
В повороте автомобиль испытывает значительно большее сопротивление движению, чем при езде по прямой. Если не принять контрмер, скорость автомобиля на вираже быстро падает. Причем падение тем больше, чем выше начальная скорость и меньше радиус траектории. Техника прохождения поворотов с потерей скорости устроит разве что чайника. Настоящие драйверы, поклонники героев сериала «Двойной форсаж», не смирятся с этим и обязательно «прибавят газу». Проанализируем, каковы возможные последствия с точки зрения ТДКМ.
Прибавить газу – значит передать на колеса ведущей оси крутящий момент. При этом в зонах контакта колес с дорогой возникают продольные реакции – силы тяги. В этом случае ведущее колесо будет испытывать действие результирующей силы, которая равна геометрической сумме боковой и продольной реакций:
RΣ = √Ry2 Rx2.
Соответственно, изменится условие возникновения заноса оси:
√Ry0 + Rx02 ≥ φRz0 ,
где Rx0 – суммарная продольная реакция колес ведущей оси;
φ – коэффициент сцепления в направлении действия RΣ.
Анализ этого соотношения показывает, что продольные реакции увеличивают опасность заноса. Даже если прибавка газа не привела к увеличению центробежной силы! Любопытно, что условие выполняется независимо от «знака» реакции. Что сила тяги, что сила торможения – эффект одинаков. Мало того, что выросла левая часть соотношения, так еще и правая уменьшилась. Коэффициент сцепления φ оказывается меньше φу. Понять это проще, если принять полную силу сцепления шины с дорогой за константу. Чем большая часть сцепления используется для передачи продольных реакций, тем меньшая остается для реакций боковых. И наоборот. Получается, что с увеличением крутящего момента ведущие колеса приближаются к пределу по сцеплению в поперечном направлении.
Теория бокового увода дает этому факту более наукообразное объяснение. Если взглянуть на зависимость коэффициента сопротивления боковому уводу от продольной реакции (график 2), видно, что она имеет симметричный эллиптический характер. С увеличением продольной силы коэффициент сопротивления боковому уводу уменьшается (углы увода растут). Происходит это тем быстрее, чем ближе сила к своему максимальному значению, определяемому сцеплением в продольном направлении. Когда тяговые или тормозные силы достигают предела, возникает соответственно пробуксовка или блокировка колеса. В этот момент ky становится равным нулю, т. е. колесо полностью теряет способность воспринимать боковую нагрузку.
Здесь напрашивается первый серьезный аргумент в пользу полного привода. Ведь если крутящий момент передать не на одну ось, а перераспределить его между двумя осями, у каждой останется больший «запас» для передачи боковых сил. Это означает, что можно пройти поворот с большей скоростью без опасности срыва автомобиля в занос. Данное преимущество наиболее ощутимо на скользкой дороге, когда легко «переборщить» с газом, получить пробуксовку колес и, как результат, неуправляемую ось. Справедливости ради нужно сказать, что этот аргумент не самый неотразимый. Его «отражают» переднеприводные автомобили, у которых наиболее «опасная» задняя ось вообще не передает тяговых сил, да и тормозит менее эффективно. По этой причине они считаются самыми устойчивыми к заносу в условиях действия продольных сил. Машины же с симметричным полным приводом с этой точки зрения занимают промежуточное положение между передне- и заднеприводными. Вот если полный привод несимметричный, то, как говорится, возможны варианты. А если распределением крутящего момента между осями и отдельными колесами оперативно управлять, то открываются заманчивые перспективы для оптимизации устойчивости автомобиля в повороте.
Как упоминалось, соотношение углов увода задней и передней осей является одной из характеристик поворачиваемости. Поворачиваемость изначально зависит от распределения массы по осям автомобиля (чем задаются величины вертикальных нагрузок и боковых инерциальных сил) и коэффициентов сопротивления боковому уводу шин. Исходя из развесовки переднеприводные автомобили считают склонными к недостаточной поворачиваемости, заднеприводные – к избыточной, а машины с полным приводом – к нейтральной. Конечно, если в их конструкции не предусмотрено специальных мер для изменения этой ситуации. Таковыми могут быть, например, оптимизация компоновки или характеристик подвески.
Принимая в расчет влияние продольных реакций на углы увода колес, нетрудно понять, что при маневрировании в тяговом режиме поворачиваемость автомобиля может изменяться. С ростом тяговых реакций углы увода ведущих колес растут. При этом у переднеприводных автомобилей увеличивается тенденция к недостаточной поворачиваемости, а у заднеприводных – к избыточной. Поворачиваемость автомобилей с симметричным полным приводом не меняется. Хорошо это или не очень – вопрос неоднозначный. Многие идеалом считают недостаточную поворачиваемость на входе в поворот, нейтральную – в его средней части и избыточную – на выходе. Но не в этом соль. Соль опять же в том, что, используя в конструкции полноприводного автомобиля трансмиссию с несимметричным распределением крутящего момента между осями, можно придать автомобилю желаемую управляемость в тяговом режиме. Более того, можно сделать трансмиссию регулируемой, чтобы оптимизировать поведение автомобиля на разных режимах движения и даже на разных фазах поворота.
Еще активнее воздействовать на поворачиваемость автомобиля можно с помощью полностью управляемой трансмиссии, которая также позволяет перераспределять крутящий момент между колесами каждой оси. Об этом мы поговорим в следующий раз.
