Распределение момента (English, Русский)

Распределение момента (English, Русский)

Попытаемся разъяснить что такое крутящий момент и как толковать его распределение между мостами и колёсами.

Что такое момент? (Редактировать)

Момент силы (синонимы: крутящий момент, вращательный момент, вертящий момент, вращающий момент) — векторная физическая величина, равная произведению радиус-вектора, проведенного от оси вращения к точке приложения силы, на вектор этой силы. Характеризует вращательное действие силы на твёрдое тело.

Представьте, что вы откручиваете гайку гаечным ключём. Усилие, с которым вы тянете гаечный ключ и есть крутящий момент.

Распределение момента “в нормальных условиях” (Редактировать)

Представим автомобиль с постоянным полным приводом, например Subaru Legacy с ручной коробкой передач. Распределение тяги между мостами у этого автомобиля осуществляется в пропорции 50 на 50. Такая пропорция означает, что центральный дифференциал симметричный и усилие, передаваемое на каждый из мостов одинаково. Правда это действительно пока все четыре колеса имеют одинаковое сцепление с дорогой и одинаково нагружены. В идеальных условиях из 100% крутящего момента, производимым двигателем, по 50% уходит на каждую ось, или по 25% на колесо.

Значение распределения момента “в нормальных условиях”, приводимое на этом сайте позволяет понять механическую конструкцию центрального дифференциала. В реальности это значение может отличаться.

От этой пропорции зависит поведение автомобиля в скользком повороте, т.е. какой мост получит больше тяги от двигателя. К примеру, BMW с несимметричным дифференциалом с распределением 36/64 будет иметь ярко выраженный заднеприводный характер при прохождении поворотов. Volkswagen с пассивной муфтой Haldex (поколений 1 или 2) в приводе задних колёс и “нормальным” распределением момента 90/10 будет иметь скорее недостаточную поворачиваемость, а при добавлении газа и блокировании муфты до проморции 50/50 сменится на нейтральную, как у Субару.

Понятие “распределение тяги до 100%” (Редактировать)

Что мы имеем в виду когда говорим что тяга может перебрасываться между мостами и достигать 100% на одном мосту? Представим ту же Subaru с “нормальным” распределением 50/50. Теперь представим, что задние колёса оказались на льду, или специально поставлены на ролики либо вывешены в воздухе. Если вы нажмёте на газ, задние колёса попытаются вращаться свободно, не встречая сопротивления. Поскольку сопротивления нет, то и момент, который нужно приложить к колёсам, чтобы заставить их вращаться очень низок. На Subaru используется блокируемый вискомуфтой центральный дифференциал, который тут же блокируется и весь выдаваемый двигателем крутящий момент, т.е. 100% от него, идёт на передний мост а на задних колёсах момент равен нулю. Это имеется в виду когда говориться о переброске момента. Таким образом в нормальных условиях пропорция составляет 50/50, а “перераспределение” крутящего момента между мостами осуществляется от 100/0 до 0/100.

Если предположим вискомуфта неисправна или ещё по какой причине не блокируется полностью, то можно говорить например о распределении момента от 75/25 до 25/75. Т.е. при полном вывешивании одного моста машина может и не поехать, несмотря на полноприводность.

У автомобиля с автоматически подключаемым полным приводом (рассмотрим нормально-переднеприводный автомобиль) в нормальных условиях момент распределяется, к примеру, в пропорции 100/0. Вывешивание задних колёс ничего в этой пропорции не меняет. Но если передние начинают буксовать и муфта привода задних колёс замыкается, распределение тяги становится 50/50, и при полном отсутствии сцепления с дорогой у передних колёс до 100% тяги может быть передано на задний мост. Таким образом пропорция распределения момента меняется от 100/0 до 50/50, а момент измеряемый на мостах может меняться от 100/0 до 0/100.

В данной статье говориться о распределении тяги между мостами, а не между каждым из колёс. Для распределения момента между колёсами одной оси необходим блокируемый межколёсный дифференциал. Чтобы иметь возможность передавать 100% тяги на одно единственное колесо, необходимо иметь блокируемый центральный дифференциал и блокируемые межколёсные дифференциалы в каждом мосту. Как например у Mercedes G-class.

This is a Wiki, so feel free to correct any factual or grammatical error. Test here before posting.

Два колеса или четыре?

В большинстве полноприводных автомобилей, если одно колесо вращается быстрее, сцепление теряется, потому что дифференциал позволяет мощности двигателя находить легкий выход через колесо, которое буксует. Если можно управлять всеми четырьмя колесами автомобиля и блокировать дифференциалы, автомобиль продолжит движение, даже если только одно из его колес имеет хорошее сцепление с дорогой. Это значит, что полноприводная машина сможет преодолевать обледенелые или грязные участки дороги.

Основные типы полного привода

Основные – это постоянный полный привод (Full-time или 4WD) и подключаемый электроникой по требованию (Torque on-demand или AWD). Еще есть и подключаемый вручную (Part-time) – сейчас почти не применяется. Рассмотрим коротко каждый из этих типов.

Полный привод part-time самым первым был установлен на автомобили. Жестко подключаемый передний мост дает возможность колесам передней и задней осей вращаться с одной и той же скоростью, межосевой дифференциал устанавливать не требовалось. Эта система передает крутящий момент от двигателя к обеим осям в равной степени, вследствие чего обе оси вращаются с одной и той же скоростью.

Автомобиль с part-time замечательно зарекомендовал себя в езде по топкой грязи, снежной каше, щебню и прочему бездорожью, а вот на асфальте все не так однозначно. Если машина начнет совершать поворот на твердом покрытии, то при развороте руля колеса на одной из осей будут проскальзывать. А это будет вредить трансмиссии, ускорит износ покрышек и снизит управляемость автомобилем.

Автомобили с part-time прежде всего предназначаются для регулярных поездок по полям и оврагам или по очень плохим дорогам – это внедорожники. Их конструкция отличается простотой и относительной надежностью, но они не подходят для обычной каждодневной езды по городу. Постоянно подключать и выключать привод крайне неудобно. Если передняя ось будет все время во включенном состоянии, то это приведет к поломке автомобиля.

Этот привод встречается у Nissan Patrol, Toyota Land Cruiser 70, пикапа Mazda BT-50, Suzuki Jimny, Ford Ranger, Jeep Wrangler и российского УАЗа.

Полный привод Full-time или 4WD – постоянно подключенная система избавляет автомобиль от вышеописанных проблем. Здесь ведущие все четыре колеса, кроме того, установлен межосевой дифференциал, сбрасывающий излишнюю мощность. Если одно из колес начнет буксовать, дифференциал отключит второе колесо данной оси.

Но полноприводный автомобиль с 4WD на асфальтовом покрытии может показать себя не с лучшей стороны, проскальзывая при поворотах. Чтобы эффективно управлять на асфальте автомобилем с 4WD, требуются хорошие навыки вождения, так как внедорожник трудно управляем и стремится вылететь наружу поворота.

Полноприводная система 4WD предназначается для серьезного бездорожья. Оснащенные 4WD приводом автомобили имеют небольшой диапазон передач, раздаточная коробка может быть автоматическая или ручная. Внешне внедорожники с 4WD имеют более высокий дорожный просвет, благодаря чему они очень успешно преодолевают препятствия, поднимаются в горку и съезжают с нее.

Этой системой обладают такие внедорожники, как Land Cruiser 100 Prado и Land Cruiser 100, Land Rover Defender и Land Rover Discovery. Наиболее известной моделью с полным приводом 4WD является отечественная Лада Нива.

4WD привод устанавливался на внедорожники ранних выпусков и сейчас еще применяется на пикапах. Но постепенно они уходят, и их можно встретить реже и реже – они, можно сказать, вымирают. Даже на военных автомобилях начинают применять более современную и удобную систему AWD.

Полный привод AWD – на все колеса (All-wheel drive) передает мощность от передней к задней оси, а кроме того, мощность распределяется между колесами. Систему удобнее использовать в повседневном режиме, чем 4WD.

Подключаемый автоматически полный привод AWD позволяет подключить при необходимости пару колес дополнительно, и водитель в управлении участия не принимает – все делается автомобильной автоматикой. Для исполнения этой функции в устройстве автомобиля предусмотрена специальная многодисковая муфта, которая, когда необходимо, подключает задние колеса дополнительно к колесам передней оси, вращающиеся постоянно.

AWD конструктивно устроена проще других. В ней не предусмотрена раздаточная коробка, рядом с передним дифференциалом расположены только шестерни, отбирающие лишнюю мощность. Есть конструкции, где дифференциалы имеют самоблокирующиеся механизмы, чтобы при пробуксовке оси сохранить управляемость автомобиля.

Эту систему разработали для всепогодных условий, чтобы автомобиль можно было наиболее эффективным образом использовать на легком и среднем бездорожье. Все системы AWD функционируют самостоятельно, без участия водителя. Принцип их работы построен на использовании сложных алгоритмов и компьютерных кодов, которые контролируют все системы рулевого управления и тормоза. Автоматическая полноприводная система на Kia Sportage, например, способна сканировать путь, отмечая выбоины и места со льдом и водой.

Автомобили с AWD (torque on-demand): Cadillac Escalade, Ford Explorer, Land Rover Freelander, Kia Sportage, Mitsubishi Outlander XL, Nissan Murano, Nissan X-Trail.

А что же страхующая электроника?

Современные системы полного привода с электронно-управляемыми муфтами, как правило, работают в связке с системой курсовой устойчивости. Та, в свою очередь, может иметь различные режимы функционирования (отключение противобуксовочной системы, спортивный режим с возможностью езды под тягой в скольжениях, особые алгоритмы работы в определенных условиях – “снег”, “песок” и т.д.). Также возможна реализация электронных имитаций межколесных блокировок. Насколько все это работает и надежно защищает водителя от неприятных ситуаций?

Во многом эффективность этих систем зависит от качества их настройки. Лучшие из них действительно здорово облегчают жизнь рядовому водителю, особенно если он в принципе правильно управляет автомобилем в сложных условиях или же понимает принцип работы той же ESP или ездовых режимов и может грамотно использовать этот функционал.

Но, как показывает практика, ESP вовсе не панацея. Как минимум она не отменяет законы физики и, например, при переборе скорости в повороте не спасет от сноса. Она может оказаться беспомощной при сильном заносе и даже может способствовать его развитию, хотя главной причиной будут слишком грубые или неадекватные действия водителя при работе рулем. Впрочем, это тема для отдельного разбора, который мы планируем устроить в этом зимнем сезоне.

Применение разных видов полного привода

В зависимости от класса и назначения машин используются разные типы полного привода, наиболее подходящие по своим эксплутационным и рабочим характеристикам.

Для автомобилей премиум-класса, где комфорт, управляемость и безопасность имеют первостепенное значение, постоянный полный привод под управлением электроники является хорошим вариантом. Роскошные внедорожники сочетают в себе постоянный полный привод и принудительный полный привод с возможностью жесткой блокировки дифференциалов. Полный привод контролируется и регулируется электроникой. При необходимости водитель активирует жесткую блокировку, если, например вам нужно выбраться из грязи.
Для внедорожников, работающих в тяжелых условиях, больше подходит принудительный полный привод. Это исключает использование дорогостоящей электронной системы управления и дифференциалов повышенного трения, делая конструкцию более надежной и простой. При необходимости водитель сам активирует блокировку.

В автомобилях среднего и эконом-класса используются автоматически подключаемый полный привод и свободные дифференциалы. Это решение не требует использования дорогостоящих дифференциалов повышенного трения и управляющей электроники, обеспечивает приемлемые внедорожные характеристики на зимних дорогах и экономит топливо.

Виды полного привода: 4WD и AWD

Итак, можно выделить Full-time4WD, Part-time 4WD и AWD. В свою очередь, чтобы было понятно, какие особенности имеет AWD, что это такое и как работает, нужно рассмотреть данное решение в сравнении с другими похожими схемами реализации.

Первое, маркировка на автомобилях 4WD (Full-time 4WD и Part-time 4WD) и AWD — это тип полного привода (Four-wheel-drive и All-wheel-drive). Более того, система полного привода сегодня встречается не только на кроссоверах и внедорожниках, но и на легковых авто.

Если рассматривать, что такое 4WD, то 4WD привод на машине, в большинстве случаев, дает возможность водителю самостоятельно выбрать, как распределить мощность между всеми колесами. Во многих автомобилях есть возможность отключение передачи крутящего момента на одну ось, как правило – это отключение переднего моста.

Виды 4WD приводов:

• привод Part-time 4WD — надежная и простая система, которая посредством раздаточной коробки, в зависимости от дорожных условий, предоставляет возможность выбора типа привода авто (состоит из 2WD, 4WD High, 4WD Low (пониженная). Используется на многих внедорожниках (Jeep Wrangler, Nissan Xterra, Toyota 4Runner или FJ Cruiser) и пикапах. При этом 4WD нельзя использовать при движении с высокой скоростью по сухому асфальту (обычно используется 2WD);
• привод Full-time 4WD — система используется всегда, то есть без поправки на разные дорожные условия. Система идеальна для поездок по скользким, сыпучим поверхностям. Ставится на внедорожники и кроссоверы, псевдо-спортивные легковые автомобили (улучшение динамики разгона), при этом должна быть снабжена дополнительными блокировками.
• что касается привода АВД, система АВД привода (4х4) All-Wheel Drive – тип полного привода, передающий крутящий момент на передние колеса, и только в том случае, когда какое- либо колесо начинает проскальзывать, подключает полный привод (момент передается на задние колеса). В случае недостаточной тяги автомобиля при подключении заднего привода, распределение крутящего момента составляет 40% на заднюю ось и 60% на переднюю ось. Но есть исключения из правил, например, в автомобилях Ауди и Субару система распределения тяги 50:50. Режим привода в зависимости от дорожной ситуации выбирает бортовой компьютер.

Раздаточная коробка стала редко применяться на транспортных средствах, на смену ей пришла автоматизированная электроника, которая и следит за вращением колес, контролируя максимальную эффективность работы трансмиссии автомобиля.

При этом в таких автомобилях осталась возможность регулировки режима работы, водитель может включить пониженную передачу крутящего момента (повышенные обороты двигателя при низкой скорости автомобиля).

Как видно, если рассматривать AWD и 4WD, в чем отличие данных систем, какие они имеют особенности, можно сделать вывод, что каждое решение имеет ряд достоинств и недостатков. Но, несмотря на некоторые технические нюансы, обе схемы относятся к системе полного привода.

Основные отличия систем состоят в том, что:

• автомобили, оснащенные приводом AWD, по сравнению с автомобилями, оснащенными приводом 4WD, имеют несколько меньшую тягу;
• в автомобилях с AWD, по сравнению с 4WD, не хватает возможности включения пониженной передачи для распределения крутящего момента:
• полноприводный автомобиль с системой 4WD можно использовать в горной местности или в сложных дорожных условиях (песок, снег и др.), полноприводный автомобиль с системой AWD можно использовать при езде по легкому бездорожью;

Особенности полноприводных автомобилей

Полный привод: схемы распределения тяги на все колеса

Полноприводный автомобиль щеголяет искусными характеристиками, притягивающими внимание потребителей:

• обладает наиболее эффективной разгонной динамикой;
• склонен преодолевать труднопроходимые участки на бездорожье;
• способен без труда взбираться на ледяные горки.

Однако далеко не каждая полноприводная трансмиссия способна качественно реализовать данные характеристики. Впрочем, даже полноценное исполнение непосредственных задач происходит далеко не в бескомпромиссном русле. Многое зависит от компоновки полного привода:

• постоянный;
• подключаемый средствами автоматики;
• подключаемый вручную.

Постоянный полный привод в движении зимой: особенности и сложности

Полноценная полноприводная компоновка обеспечивает постоянную циркуляцию мощности между двигателем, передними и задними осями. Основная конструктивная единица системы – раздаточная коробка, распределяющая тягу между двумя межколесными дифференциалами. Узел включает:

• межосевой дифференциал;
• блокировочное устройство, обеспечивающее жесткую связь передней и задней осей (вискомуфта, фрикционная муфта, самоблокирующийся дифференциал);
• цепную передачу, посредством которой крутящий момент поступает на вал передней оси.

Именно полноценный полный привод является незаменимым помощником зимой: мощность подводится ко всем 4 колесам непрерывно как на асфальте, так и на бездорожье, да и мгновенно срабатывающая блокировка позволяет с уверенностью штурмовать заснеженную «пересеченку».

Классический акцент на проходимости постоянного «полноприводника» сделан в ущерб другим качествам:

• большая масса;
• заведомо увеличенный расход топлива;
• сложность реализации конструкции, значительно повышающая себестоимость опции.

Универсальное технологичное решение: подключаемый полный привод

Гибридная альтернатива постоянной схеме распределения 4х4 – передний привод с подключаемой по требованию электроники задней осью. Компоновка трансмиссии представляет собой усложненный вариант «переднеприводника»:

• дифференциал передней оси традиционно связан с коробкой передач;
• примитивная раздаточная коробка: коническая передача, обеспечивающая передачу крутящего момента от передней оси на карданную передачу;
• агрегат, подключающий заднюю ось: вискомуфта или фрикционный узел.

Электронное бесступенчатое распределение мощности заманчиво:

• относительно низкая себестоимость изделия;
• небольшие габариты и масса узлов;
• незначительное увеличение показателей расхода горючего по сравнению с переднеприводной версией.

Вместе с тем решение весьма компромиссно:

• на бездорожье и заснеженных участках заблокированная муфта склонна к быстрому перегреву и выходу из строя;
• на обычной автостраде автомобиль практически находится в переднеприводном режиме (на заднюю ось передается незначительное количество мощности – до 10-20%);
• полноценное использование задней оси возможно только лишь при пробуксовке передних колес или старте.

Стоит отметить, что занос на полном приводе такой компоновки предотвратить весьма сложно. Внезапная трансляция момента на задние колеса, возникающая при пробуксовке передней оси, потребует ювелирных действий от шофера.

Консервативный подход: «ручной» полный привод

Исключив из полноценной полноприводной схемы дифференциал и заменив электронную блокировку на возможность ручного подключения через «раздатку» передней оси, можно получить примитивную малогабаритную механическую систему полного привода. Присущая сугубо внедорожным экземплярам схема обладает такими особенностями:

• устойчивость к большим механическим нагрузкам;
• в активированном состоянии обеспечивается соотношение 50/50;
• будучи включенной, надежная механика способна загубить трансмиссию на асфальте;
• переключение происходит на неподвижном автомобиле.

На какие параметры влияют различные типы приводов автомобиля

Какой из всех типов приводов автомобилей самый лучший? Приступая к поиску ответа, следует изучить основные термины.

Устойчивость — показатель, определяющий, насколько хорошо способна машина сохранять требуемое положение на дороге (не опрокидывается, отсутствует боковое скольжение колес) при условии, что водитель не участвует в управлении: не вращает руль, не давит на газ/тормоз.

Поворачиваемость — способность машины менять траекторию движения, находясь под воздействием боковых сил: ветер и тому подобное в условиях, когда руль неподвижен.

Когда вы не поворачиваете руль, но:

радиус поворота становится больше — это значит, что поворачиваемость машины недостаточная;

радиус поворота становится меньше — в этом случае поворачиваемость слишком избыточная;

радиус поворота не изменен — тогда поворачиваемость нейтральная.

Транспортное средство с низкой поворачиваемостью будет устойчивее на дороге. Дело в том, что под воздействием боковых сил машина будет передвигаться по кривой с наибольшим радиусом. Одновременно снизится центробежная сила, а автомобиль начнет двигаться в изначальном направлении.

Управляемость — показатель, определяющий сможет ли машина менять траекторию движения, учитывая ваше управление. Управляемость и устойчивость взаимозависимы. К примеру, когда автомобиль уходит в занос, то есть происходит боковое скольжение четырех колес, он может перестать реагировать на любые ваши действия.

Склонность к заносу выше у ведущих колес. То есть, если вы начнете резко трогаться с места, в букс уйдут именно эти колеса.

Чтобы занос был невозможен, необходимо, чтобы сила сцепления колеса и асфальта стала больше, чем все силы, воздействующие на него. На ведущие колеса действует тяговое усилие, а также сила торможения. Это значит, что если появятся боковое воздействие, именно эти колеса (а не ведомые) потеряют сцепление с дорожным полотном. Но, если ваша машина с передним приводом, и вы едите на ней один (машина пустая), то в занос будет уходить задняя ось. Объясняется это тем, что она весит меньше, чем передняя, поэтому и сцепление с дорожным полотном будет хуже.

Разгон и управляемость

Раллийным машинам полный привод необходим для хорошей управляемости. Впервые он появился на Audi Quattro, участвовавшей в раллийных гонках в Монте-Карло в 1980 году. Полноприводная трансмиссия тогда позволила заметно улучшить динамику болида.

Дело в том, что задний или передний привод не позволяют быстро разгонять машину на зыбких покрытиях и на гравийке. Передний привод вообще имеет ограничения по мощности. Его колеса буксуют, и энергия тратится на износ резины. Считается, что предел мощности для переднеприводных машин — это 250 л. с.

Поэтому полный привод в раллийных машинах необходим для наращивания динамики разгона на коротких промежутках.

Сейчас неплохих успехов в конструировании спортивных полноприводных машин достигли японцы из Subaru и Mitsubishi, которые предлагают всем желающим фактически готовые спортивные болиды Subaru Impreza WRC или Lancer Evolution. Достаточно установить на них каркас безопасности, и можно отправляться на соревнования.

В этих машинах легковой кузов позволяет снизить центр тяжести, а полный привод с электронным управлением управляет колесами таким образом , чтобы они обеспечивали максимальное сцепление с дорогой на разных покрытиях и, следовательно, быстро разгоняли машину.