Все четыре колеса... Часть 2
Полный привод дает немалые преимущества дорожному автомобилю в сложных условиях движения. Рассмотрим эволюцию полноприводных трансмиссий на примере продукции компании Honda Motor.
Но сначала закончим рассуждения, начатые в предыдущей статье. Еще активнее воздействовать на поворачиваемость автомобиля можно с помощью полностью управляемой трансмиссии, которая также позволяет перераспределять крутящий момент между колесами каждой оси. Неравенство тяговых реакций на правом и левом колесе приводит к появлению дополнительного поворачивающего момента:
Мпов = (Rxп – Rxл) B, где B – колея.
Если направление момента совпадает с направлением угловой скорости автомобиля, усиливается тенденция к избыточной поворачиваемости, если направления противоположны – к недостаточной. Такой прием эффективен для оперативной корректировки траектории.
Так что полный привод «подорожного» автомобиля не столько средство повышения его проходимости, сколько действенная мера улучшения устойчивости, управляемости и, в конечном счете, безопасности. А теперь перейдем к обещанным автомобилям Honda.
Полноприводные автомобили для японцев не блажь, а жизненная необходимость. На северном острове Хоккайдо обильные снегопады – обычное дело, и два метра выпавшего за ночь снега никого не удивят. А если учесть еще сопки, покрывающие все острова, то преимущества полноприводного автомобиля в зимний период будут кстати. Не случайно все без исключения японские автопроизводители выпускают полноприводные версии своих автомобилей, начиная от самых маленьких моделей и заканчивая автомобилями представительского класса. Honda – сравнительно молодая компания, она приступила к массовому производству автомобилей в середине 1960-х. Поскольку машины, сошедшие с конвейера в 1970-х годах и раньше, на дорогах уже не встречаются, мы начнем наш рассказ с начала 1980-х.
Среди моделей, базирующихся на платформе Honda Civic 1983 года, была полноприводная версия с кузовом «универсал повышенной вместимости» – Civic Shuttle. Двигатель располагался спереди поперек, коробка передач могла быть механической или автоматической с постоянным приводом на передние колеса. Задний мост представлял собой неразрезную балку. Его главная передача соединялась с ведомой шестерней главной передачи переднего моста через кардан и угловой редуктор с кулачковой муфтой. В обычных условиях автомобиль был переднеприводным. Для подключения заднего моста нужно было остановиться и нажать клавишу 4WD. При этом срабатывал электромагнитный клапан, разрежение из впускного коллектора двигателя втягивало диафрагму вакуумного сервопривода и муфта соединяла кардан с редуктором. Поскольку межосевого дифференциала не было, двигаться в режиме 4WD можно было с ограниченной скоростью. При увеличении скорости примерно до 40 км/ч электроника выключала питание электромагнитного клапана. Кулачковая муфта разъединялась, и автомобиль становился переднеприводным. Чтобы вновь включить полный привод, требовалось опять остановиться и повторить все сначала. Конечно, такая схема не очень удобна для использования, что было учтено при разработке следующего поколения «сивиков».
На машинах, выпускавшихся с 1988 года, подключение заднего моста происходило автоматически. Для этого в разрыв кардана была установлена вязкостная муфта (вискомуфта). В обычных условиях движения муфта позволяла передней и задней половинам кардана вращаться с несколько отличающейся частотой, т. е. выполняла функцию межосевого дифференциала. С увеличением разницы скоростей вращения колес передней и задней осей (при проскальзывании ведущих колес) внутреннее трение в муфте росло и часть крутящего момента передавалась на задние колеса. Такая схема, безусловно, привлекательна своей простотой, благодаря чему она также «привлекла» внимание конструкторов Audi, VW, Porsche, Volvo и др. Вместе с тем она имеет очевидные эксплуатационные недостатки. Представим, что автомобиль на заснеженной дороге съехал с раскатанной колеи и одним передним колесом провалился в снег. Пока передние колеса буксуют, вискомуфта прогревается и все большая часть крутящего момента передается на задние колеса. К тому времени, когда она заблокируется полностью, передние колеса окончательно зароются в снег, автомобиль ляжет передней осью на дорогу, и не факт, что теперь полный привод поможет ему самостоятельно выбраться из ситуации. Допустим, что автомобиль, буксуя, все же преодолел заснеженный участок дороги и выехал на асфальт. Горячая вискомуфта все еще заблокирована, что равносильно отсутствию межосевого дифференциала. Движение с высокой скоростью на автомобиле, трансмиссия которого находится в таком состоянии, небезопасно. Таким образом, главный недостаток трансмиссий с вискомуфтой – большая инерционность этого устройства, которая не лучшим образом сказывается на эксплуатационных характеристиках автомобиля, а в некоторых ситуациях – на его управляемости и, как следствие, безопасности. К тому же вискомуфта имеет ограниченный ресурс – с течением времени физикохимические свойства наполняющей ее силиконовой жидкости деградируют, и муфта утрачивает свои функции.
Тем не менее вискомуфты в те годы использовались достаточно широко, и в 1989 году Honda выпустила еще один «вязкостный» вариант трансмиссии. Кардан через кулачковую муфту, установленную непосредственно в корпусе редуктора заднего моста, вращал ведущую шестерню главной передачи. Дифференциала в редукторе заднего моста не было – вместо него использовались две вискомуфты. Каждая передавала крутящий момент с ведомой шестерни главной передачи на свое колесо. С «горячими» вискомуфтами трансмиссия приобретала свойства, аналогичные трансмиссии с заблокированными межосевым и задним межколесным дифференциалами. Например, автомобиль мог двигаться даже при диагональном вывешивании колес. Но была и оборотная сторона медали. При торможении блокированные муфты выравнивали скорости вращения всех колес. Это затрудняло определение реальной скорости движения автомобиля и момента начала блокировки колес, что создавало трудности для работы АБС. Выход был только один – при торможении с помощью электромагнита выключать кулачковую муфту, разрывая связь между передним и задним мостами. В автоматических и механических трансмиссиях этих автомобилей, как правило, была еще одна передача SL. Ее передаточное отношение было еще ниже, чем у первой передачи, что повышало вездеходные качества автомобиля.
Преодолевая сложный участок дороги, рядовой водитель вовсе не хочет совершать какие-либо сложные манипуляции органами управления автомобилем. Его желание – добраться до места назначения, прилагая при этом минимум усилий. Поэтому в идеале автомобиль все должен делать сам, в том числе автоматически адаптировать режим работы трансмиссии к изменяющимся условиям движения. И такие трансмиссии были созданы.
В 1993 году автомобили Honda стали оснащаться новой полноприводной трансмиссией, получившей название Real Time Dual Pump System. В редукторе заднего моста был установлен многодисковый фрикцион, соединяющий кардан с ведущей шестерней главной передачи. Фрикцион управляется гидравлической системой, принцип работы которой рассмотрим подробнее. Гидравлическая часть состоит из двух насосов. Первый насос приводится от карданного вала, т. е. вращается с частотой, пропорциональной скорости вращения колес переднего моста. Второй насос имеет привод от хвостовика ведущей шестерни главной передачи заднего моста, его скорость пропорциональна скорости вращения задних колес. При движении автомобиля соединенные последовательно насосы забирают масло из картера заднего редуктора и возвращают его обратно. Если скорости вращения колес переднего и заднего мостов примерно равны, производительность насосов одинакова и масло просто циркулирует по кругу. При пробуксовке хотя бы одного из передних колес кардан начинает вращаться быстрее хвостовика ведущей шестерни заднего редуктора. Первый насос перекачивает больше масла, чем второй. Вследствие этого в магистрали, соединяющей насосы, появляется давление, которое воздействует на фрикцион и плавно включает задний мост. Как только задний мост полностью включился, его скорость вращения сравнивается со скоростью переднего моста и давление масла уменьшается до нуля. Фрикцион размыкается, отключая тем самым привод на задний мост. Если передние ведущие колеса вновь начнут вращаться быстрее задних колес, весь цикл повторится снова. Таким образом, система включает полный привод в повторнократковременном режиме до тех пор, пока автомобиль не преодолеет сложный участок дороги.
В гидравлической схеме также используется несколько клапанов.
Они позволяют включать полный привод при движении задним ходом, а при торможении автомобилей без АБС дают возможность задним колесам вращаться быстрее передних. При срабатывании фрикциона вследствие трения скольжения выделяется тепло. В тяжелых дорожных условиях при частых включениях заднего моста масло в редукторе нагревается. Если температура масла поднимется примерно до 120 °C, срабатывает термоклапан и задний мост отключается. После снижения температуры до рабочей полный привод сможет включиться вновь.
Подключение заднего моста происходит очень быстро. Взять, к примеру, троганье с места с пробуксовкой одного из передних колес. В то время как буксующее колесо совершит два оборота, кардан сделает примерно восемь оборотов. Этого хватит, чтобы передний насос (при неподвижном заднем насосе) создал давление масла, достаточное для срабатывания многодискового фрикциона. В режиме полного привода пробуксовка переднего колеса прекратится, и автомобиль сдвинется с места.
Полностью автоматическая работа, простая конструкция и высокое быстродействие позволили 10 лет использовать данный вариант полноприводной трансмиссии почти на всех моделях автомобилей Honda. Тем не менее в 2004 году в конструкцию внесли изменение. Между ведущими и ведомыми дисками фрикциона установили устройство, названное Camdriven realtime AWD mechanism. По сути, это механический усилитель, состоящий из двух колец с шестью наклонными канавками, в которые уложены шарики. Стоит гидравлике лишь немного сжать пакет дисков, как кольца поворачиваются друг относительно друга и раздвигаются, сжимая диски еще сильнее. Причем чем больше передаваемый момент, тем больше сжимаются диски. С усовершенствованным фрикционом уменьшилось время включения полного привода и возрос передаваемый на задний мост крутящий момент. Это не удивительно – аналогичная конструкция механического усилителя используется во фрикционных тормозных механизмах бронетанковой техники.
У многих читателей может возникнуть вопрос, зачем в системе полного привода Real Time нужны два насоса. Действительно, известны похожие конструкции с одним насосом, выполняющие примерно такие же функции. На этот счет выскажем догадку: не исключено, что ответ кроется в области патентных прав – не всегда право на использование патента удается купить, а иногда и покупать его не хочется. Есть еще один вопрос, который нельзя обойти стороной, – это недоверие части водителей к автомобилям с автоматическим включением полного привода. Многие водители опасаются, что внезапная смена режима работы трансмиссии резко изменит поведение машины и потребует адекватной корректировки приемов управления, к чему они могут оказаться не готовы. В реальности все не так страшно. Действительно, переход на полноприводный режим работы меняет поведение автомобиля, но в позитивную сторону. Допустим, что водитель «перебрал» с мощностью двигателя и возникла пробуксовка передних колес. Как мы выяснили ранее (см. «АБС-авто» № 11/2009), при полном скольжении колесо теряет способность воспринимать боковую нагрузку, т. е. движение автомобиля становится неустойчивым и неуправляемым. Если ошибка была не фатальной, пробуксовка быстро устраняется подключением заднего моста – крутящий момент распределяется между четырьмя колесами, и тяговые силы на передних колесах уменьшаются. В течение непродолжительного времени, от момента включения полного привода до прекращения пробуксовки, устойчивость автомобиля восстанавливается, а поворачиваемость приближается к нейтральной. Если же мощность двигателя настолько избыточна, что с подключением заднего моста скольжение колес не прекратилось, то в этой ситуации полный привод любого другого типа (подключаемый вручную или постоянный) окажется одинаково бессильным. Единственный выход – отпустить педаль газа и уменьшить мощность. В современных автомобилях об этом позаботится электроника противобуксовочной системы.
Как видно, рассмотренные полноприводные трансмиссии были ориентированы прежде всего на улучшение проходимости автомобилей в тяжелых дорожных условиях. Следующим этапом их развития стало создание управляемых трансмиссий с возможностью перераспределения крутящего момента между отдельными колесами. При этом главной целью стало повышение активной безопасности на всех режимах движения автомобиля путем воздействия на его устойчивость и управляемость без потери динамики. Об этом – в следующих разделах.
Прелюдия
Выкладки из теории движения колесных машин позволили нам сделать вывод, что перераспределением крутящего момента между колесами одной или обеих осей можно активно воздействовать на управляемость и устойчивость автомобиля и тем самым улучшать его активную безопасность (см. № 11/2009). Причем в отличие от систем, использующих тормозные механизмы автомобиля (курсовой стабилизации, контроля тяги и т. д.), управляемая трансмиссия позволяет добиться этого значительно меньшими потерями мощности двигателя.
Чтобы в дальнейшем было проще разобраться в устройстве интеллектуального полного привода Honda, придется на время отвлечься от «полноприводной» темы и вспомнить конструктивные особенности переднеприводного автомобиля Honda Prelude 1996 модельного года. Автомобиль выпускался в нескольких комплектациях, в том числе 4WS (4 Wheel Steer) со всеми управляемыми колесами и с системой ATTS (Active Torque Transfer System). Название последней переводится как «система активного распределения крутящего момента». Функция ATTS понятна из названия, система выполняла ее в отношении колес передней оси и автоматически изменяла соотношение передаваемых на них моментов вплоть до 15 : 85%. Для чего это делалось?
Прежде всего, так удавалось эффективно воздействовать на поворачиваемость автомобиля. В повороте большая часть крутящего момента перераспределялась на внешнее колесо. Тяговая реакция на нем возрастала, и появлялся дополнительный поворачивающий момент. Поскольку его направление совпадало с направлением угловой скорости, поворачиваемость усиливалась и изменялась от недостаточной (свойственной автомобилям с передним приводом) в сторону нейтральной. При выполнении маневра угол поворота руля у машины с ATTS оказывался на 10–30% меньше, чем у обычной.
Система ATTS позволяла проходить поворот при большей мощности двигателя, т. е. маневрировать значительно динамичнее. В повороте весовая нагрузка на колеса оси изменяется: внутреннее колесо частично разгружается, внешнее – нагружается. Сцепление внутреннего колеса с дорожным покрытием оказывается ниже, оно менее способно передавать боковые (инерционные) и продольные (тяговые) силы. В такой ситуации передача большей части крутящего момента на внешнее колесо дает возможность уменьшить опасность возникновения бокового скольжения и заноса оси без ограничения мощности двигателя. Автомобили с обычным симметричным дифференциалом такой возможности не имеют. Поэтому в системе ATTS был использован дифференциал с планетарными передачами.
Гидромеханический блок системы ATTS располагался сбоку от трансмиссии, между приводными валами колес. Внутри него находился планетарный редуктор, который управлялся двумя многодисковыми фрикционами (сцеплениями) «мокрого» типа. Гидравлическая часть системы включала масляный насос, фильтр, электромагнитные клапаны и теплообменник для стабилизации температуры масла, расположенный в нижней секции радиатора охлаждения двигателя. Если масло было холодным или перегревалось, система не работала. Стоит сразу оговориться, что под употребляемым здесь и далее термином «масло» имеется в виду «фирменный»состав, рецептура которого ближе к трансмиссионной жидкости для коробок-автоматов. Он и смазывает пары трения, и охлаждает сцепления, и является рабочим телом в гидроприводах.
При движении по прямой фрикционы полностью разомкнуты, шестерни «планетарок» вращаются свободно и дифференциал работает как обычный: делит крутящий момент между колесами поровну. В повороте электроника анализирует информацию о скорости автомобиля, угле поворота руля, величине бокового ускорения и скорости разворота кузова вокруг вертикальной оси. По этим данным рассчитывается, как изменилась загрузка колес и какую часть момента нужно «перекинуть» с внутреннего колеса на внешнее. Получив команду от электронного блока, гидравлика начинает поджимать один из фрикционов, включается в работу планетарная передача, и равенство моментов на ведущих колесах нарушается. По мере увеличения силы сжатия фрикциона дисбаланс моментов растет вплоть до максимума, который соответствует полностью включенному фрикциону.
Система ATTS прекрасно справлялась со своей задачей, но в самой ее идеологии было заложено одно трудноразрешимое противоречие – она воздействовала на колеса, которые одновременно являлись управляемыми. Ни усложнение передней подвески, ни самые современные усилители руля не могут полностью исключить ощущения, которые передаются на рулевое колесо при работе ATTS. Получается, что исполнительные устройства интеллектуальной полноприводной трансмиссии нужно переносить на заднюю ось. Вскоре Honda сделала шаг в этом направлении.
Пилотаж
В 2003 году на автомобилях Honda Pilot, выпускаемых в Америке, начали устанавливать систему полного привода VTM‑4. Она позволяет существенно улучшить проходимость автомобиля на невысоких скоростях и интенсивнее ускоряться за счет перераспределения части тяговых сил на задние колеса. Система устроена следующим образом. Привод постоянно осуществляется на передние колеса. Передний мост оснащен обычным симметричным дифференциалом. К заднему мосту крутящий момент передается через угловой редуктор и кардан. Межосевого и заднего межколесного дифференциалов нет. Редуктор заднего моста совершенно новой конструкции. Ведомая шестерня главной передачи соединена с полуосями задних колес через два многодисковых фрикциона. Полный привод включается нажатием клавиши. Электроника подает питание на два электромагнита, фрикционы сжимаются и передают крутящий момент на задние колеса. Для увеличения усилия сжатия фрикционов используются механические усилители, такие же, как в системе Real Time DPS (см. № 1/2010).
Так как с жестко подключенным задним мостом быстро двигаться опасно, на скорости выше 10 км/ч электроника начинает плавно снижать ток через электромагниты, и момент, передающийся на задние колеса, уменьшается. Когда скорость превышает 30 км/ч, электромагниты полностью обесточиваются и автомобиль вновь становится переднеприводным. При интенсивных ускорениях задний мост подключается автоматически. Электроника анализирует мощность двигателя и скорость движения автомобиля и регулирует ток электромагнитов (силу сжатия фрикционов) так, чтобы оптимизировать поступающий на задние колеса крутящий момент.
Легенда
В том же 2003 году появилась Honda Legend с системой SH-AWD (Super Handling-All Wheel Drive). Название системы можно перевести как «суперуправляемый полный привод», и это не преувеличение – в то время SH-AWD была, пожалуй, самой совершенной трансмиссией, применявшейся на серийном дорожном автомобиле. Суперсистема позволяет плавно изменять соотношение крутящих моментов, поступающих на передний и задний мосты, от 70 : 30% до 30 : 70%. К тому же момент, приходящийся на задний мост, может бесступенчато распределяться между правым и левым колесами в диапазоне от 0 до 100%. Система SH-AWD может в такой же степени варьировать не только тяговые, но и тормозные моменты при торможении двигателем.
Передняя часть «легендарной» трансмиссии устроена обычно, так же как на «пилоте». Устройство, распределяющее крутящий момент двигателя, размещено в корпусе заднего редуктора. В его конструкции использованы три управляемые планетарные передачи. Крутящий момент подводится к редуктору с помощью легкого кардана, выполненного из композитного материала. Поток мощности проходит через механизм ускорения, о назначении и устройстве которого будет сказано позже, и поступает на гипоидную передачу. Ведомая гипоидная шестерня связана с каждой полуосью через планетарную передачу, а именно ее вал соединен с корончатой шестерней «планетарки», а полуось – с водилом сателлитов. Чтобы передать крутящий момент с вала на полуось, нужно подтормаживать солнечную шестерню, для чего предусмотрен многодисковый фрикцион. Как и в системе VTM‑4, его диски сжимаются электромагнитом. У фрикционов и управляющих ими электромагнитов нет состояний «вкл» или «выкл». Ток электромагнитов постоянно изменяется, а фрикционы всегда работают со скольжением, что и позволяет изменять величину момента, передаваемого к каждому из задних колес.
Вернемся к механизму ускорения. Мы знаем, что в повороте все колеса автомобиля движутся по разным траекториям, и в идеале должны вращаться с разной частотой. Передние ведущие колеса Honda Legend соединены через симметричный дифференциал, и ничто не мешает им это делать. При этом частота вращения корпуса дифференциала равна среднеарифметической величине, которую называют скоростью вращения переднего моста. Кинематика поворота такова, что внешнее заднее колесо должно крутиться с частотой, превышающей скорость вращения переднего моста. В противном случае будет возникать сила сопротивления качению, зависящая от трения во фрикционе. Момент силы будет противодействовать повороту и «распрямлять» траекторию. Функция механизма ускорения – предотвращать такое развитие событий, заставляя гипоидную передачу заднего моста в повороте вращаться быстрее.
Механизм ускорения также построен на основе планетарной передачи. Она может работать в двух режимах. В первом ее передаточное отношение примерно равно 1, во втором режиме она увеличивает частоту вращения ведомой шестерни гипоидной передачи примерно на 5%. Режимы работы «планетарки» переключаются двумя многодисковыми фрикционами, которые приводятся в действие с помощью гидравлики. Необходимое для этого давление создает масляный насос, расположенный на валу ведущей гипоидной шестерни. Остается лишь подать команду на один или другой электромагнитный клапан.
Автопроизводители не публикуют все свои секреты, и Honda – не исключение. В частности, нигде не проясняется вопрос, как решается задача распределения момента между осями. Ведь если разъединить задние фрикционы, машина превратится в переднеприводную, а если сжать их полностью, то момент распределится поровну, 50 : 50%. Как же получается соотношение 30 : 70%? Как без несимметричного межосевого дифференциала передать на задний мост больший момент, чем на передний? Об этом «хондостроители» скромно умалчивают. Попробуем сделать предположение.
Обычно суммарное передаточное отношение от колес заднего и переднего мостов к карданному валу делают одинаковым. Что если изменить этот обычай и сделать передаточное число главной передачи заднего моста несколько большим? В этом случае задние колеса будут стремиться вращаться быстрее передних, но не смогут, потому что моменты сил сцепления шин с дорогой превышают моменты, передаваемые через фрикционы. Так удастся изначально передать на задний мост большую часть момента и изменять его величину, управляя обоими фрикционами. А изменяя соотношение токов в обмотках правого и левого электромагнитов, можно как угодно перераспределять моменты между задними колесами. Кстати, при этом действительно нельзя полностью блокировать фрикционы – разница в передаточных числах при жестком подключении мостов вызовет либо скольжение передних, либо пробуксовку задних колес. Сделать разницу передаточных чисел мостов слишком большой также нельзя – скорость скольжения фрикционов увеличится и КПД трансмиссии упадет. Получается компромисс между расширением диапазона регулирования момента и эффективностью трансмиссии.
Система SH-AWD оснащена собственным электронным блоком управления. Электроника анализирует сигналы множества датчиков: угла поворота рулевого колеса, угла разворота кузова вокруг вертикальной оси, продольного и поперечного ускорения, скорости вращения колес, скорости вращения ведомой шестерни гипоидной передачи заднего моста и температуры масла в заднем дифференциале. Помимо этого, SH-AWD получает информацию о режимах работы двигателя, коробки передач и, что очень важно, системы курсовой стабилизации автомобиля (VSA). Если на любом режиме движения (тяговый, торможение, торможение двигателем) фактическая траектория автомобиля начинает отклоняться от расчетной, «суперсистема» вместе с VSA активно воздействуют на нее, стремясь вернуть машину на расчетный курс.
