Развитие систем полного привода легковых автомобилей

Соломатин Н.С., к.т.н. / ТГУ, г. Тольятти Петунин Н.В., ученик 10Б класса гимназии 48, г. Тольятти

УДК 629.11.011.4

Исторические аспекты развития систем полного привода автомобилей

После изобретения человечеством колеса, как универсального движителя, системы полного привода получили свое развитие. Леонардо да Винчи в 1506 году предложил проект движущейся деревянной укрепленной военной установки с автономным ручным приводом на каждое из четырех колес и с круговым пушечным обстрелом, которая управлялась независимо четырьмя машинистами (рис. 1).


Однако данное изобретение осталось только в чертежах. Последующие столетия проходили без каких-либо новых открытий в этой области.

Разработка и развитие первых паровых атмосферных машин с очень низким кпд и неудовлетворительной мощностью в 1712 г. Томасом Ньюкоменом и в 1765 г. Джеймсом Ваттом сделало возможным начать практическое внедрение полного привода.

В 1825 году Тимоти Буршталем получен патент на самодвижущийся экипаж с паровым полным приводом, и изготовлен автомобиль с подключаемым передним приводом к постоянно включенной задней оси. Привод передней оси осуществлялся карданным валом, в то время когда основное применение в те времена имел привод цепями, ремнями и даже канатами.

В 1827 году по английским дорогам проехал первый в мире автомобиль с механическим приводом на все четыре колеса. Он весил 8 тонн и едва достигал скорости пешехода, однако, поскольку даже в те времена это давало неоспоримые преимущества при движении по плохим дорогам, это положило начало развитию полноприводных трансмиссий легковых автомобилей (рис. 2).


Самый старый известный патент на размещение дифференциала получен в 1865 году в Америке. В 1857 году получен патент № 16919 Джона Холла на паровую машину с полным приводом с весьма современными конструкторскими решениями, в частности, по управлению поворотом задней оси для компенсации различного пути, проходимого передней и задней осями.

История современного полного привода начинается в Голландии. Якобус и Генрих Ян Спикер в 1903 году создали автомобиль с концепцией привода на четыре колеса, которая применяется и в настоящее время (рис. 3).


Участник гонок Гран При Спикер на 60 лет вперед оставляет за собой права на разработку полного привода через распределительную коробку передач с центральным дифференциалом. Претворение этих идей и разработок двигали вперед автомобильный спорт, активно развивающийся в начале прошлого века.

Автомобильные компании тех лет начинают активную разработку систем полного привода, каждая по своему пути. Шеф-инженер компании "Lohner & CO" в Вене в сотрудничестве с немецким инженером Фердинандом Порше представляет полноприводный автомобиль с четырьмя электрическими двигателями общей мощностью 10 л.с. (рис. 4). (Порше на заднем сиденье пассажира).


Первая мировая война потребовала практического применения автомобилей внедорожного использования. Полный привод был важнейшей опцией для выполнения военно-технических задач. В это время Фердинанд Порше применяет гибридную установку двигателя внутреннего сгорания и генератора. Мерседес-Бенц в 1926 году использует концепцию размещения четырех вместо двух обычных задних колес под шасси легкового автомобиля и тем самым добивается таких же передающих характеристик внедорожника, как на легких шестиколесных грузовиках.

Вторая мировая война потребовала массового применения полноприводных грузовых и легковых автомобилей. Мерседес-Бенц, БМВ и другие фирмы представляют в 1937 году малый внедорожник с приводом на 4 колеса и тремя блокируемыми дифференциалами, рулевым управлением всех 4 колес и независимыми подвесками (рис. 5).


В этот период тиражом менее одной тысячи экземпляров создается полноприводная версия автомобиля Фольксваген Beetle с включаемым полным приводом (рис. 6).


Развитие конструкторской мысли и многообразие задач, стоящих перед автомобилестроителями в послевоенные годы, привели к значительному разнообразию вариантов принципиальных схем, компоновок и технических решений систем распределения крутящего момента и конструкций узлов полного привода. Область применения полноприводных автомобилей расширялась, приводы становились более разнообразными. По мере повышения скоростных качеств автомобилей потребовалось применение полного привода и для улучшения свойств управляемости, тяговой динамики и, конечно, свойств проходимости.

Обзор существующих вариантов схем трансмиссии и расположения двигателя

Трансмиссии полноприводных легковых автомобилей с поперечным и продольным расположением силового агрегата по принципу регулирования кинематического диапазона передаточных чисел можно разделить на два типа:

– с ограниченным диапазоном передаточных отношений (без использования понижающего редуктора);

– с расширенным диапазоном передаточных отношений (с использованием понижающего редуктора).

Оба типа трансмиссий по способу реализации крутящего момента подразделяются на:

– реализующие постоянный полный привод;

– обеспечивающие подключаемый полный привод (путем подключения одной из осей).

Ниже приведены компоновочные схемы силовых агрегатов, систем распределения крутящего момента и количество моделей полноприводных автомобилей за 2008 год:

а) двигатель впереди поперечно — 160 моделей автомобилей (рис. 7). Из них:


• постоянный полный привод — 117 моделей автомобилей, включая:

- вседорожники — 60 автомобилей;

- дорожные полноприводные — 57 автомобилей.

• подключаемый передний мост (отсутствуют).

• подключаемый задний мост — 43 модели автомобилей, включая:

- вседорожники — 26 автомобилей;

- дорожные полноприводные — 17 автомобилей.

б) двигатель впереди продольно — 265 моделей автомобилей (рис. 8). Из них:


• постоянный полный привод — 162 модели автомобилей, включая:

- вседорожники — 78 автомобилей;

- дорожные полноприводные — 84 автомобиля.

• подключаемый передний мост (отсутствуют).

• подключаемый задний мост — 103 модели автомобилей, включая:

- вседорожники — 57 автомобилей;

- дорожные полноприводные — 46 автомобилей.

Анализ модельного ряда мирового парка полноприводных легковых автомобилей по каталогам «За рулем» показывает, что в период с 1996 по 2008 гг. число моделей с поперечным расположением двигателя увеличилось с 33% до 49,4% от числа всех моделей полноприводных автомобилей. При этом внедорожники, особенно рамные, сохраняют продольное расположение двигателя. Дорожные полноприводные автомобили классов В, С (по европейской классификации) в большинстве своем имеют поперечное расположение двигателя.

Термины и определения, касающиеся трансмиссий полноприводных легковых автомобилей

Существующее на сегодня терминологическое трактование всего этого многообразия конструкций систем полного привода сводится к определению только лишь внедорожного автомобиля как «автомобиля, предназначенного для движения по бездорожью, либо только по специальным карьерным, лесовозным или другим дорогам, конструкция которого не соответствует принятым для дорог общего пользования весовым и габаритным ограничениям, либо по иным причинам может привести к повреждению дорожного полотна».

Этого недостаточно для однозначного определения и практического применения терминологии в областях разработки, производства, продажи и эксплуатации автомобильной техники.

Все существующие полноприводные автомобили можно разделить на три основные группы:

• Внедорожник, вседорожник (англ. off-road vehicle, all-road vehicle; нем. Gelandewagen) — полноприводный (4х4) легковой или легкий коммерческий автомобиль повышенной проходимости с повышенным дорожным просветом для эксплуатации на дорогах всех категорий, а также на пересеченной местности.

• Кроссовер (англ. Crossover) — многофункциональный легковой автомобиль на стыке классов внедорожного и дорожного автомобилей с несущим кузовом типа «универсал». Использует различные виды трансмиссии — полноприводные, переднеприводные. Часто обозначается аббревиатурой SUV (англ. Sport Utility Vehicle — автомобиль активного отдыха).

• Полноприводный автомобиль (англ. AWD — All Wheel Drive, 4WD — Four Wheel Drive) — легковой автомобиль с увеличенным дорожным просветом на платформе обычного автомобиля. Понижающая передача отсутствует.

Основным же принципом классификации систем полного привода может являться компоновочная схема расположения силового агрегата и способа подключения полного привода.

Системы полного привода можно классифицировать:

1. По способу подключения ведущих мостов:

• Full-time — система постоянного полного привода. Полный привод включен постоянно, без ограничений. Некоторые системы полного привода «full-time» в действительности являются системами «part-time», но автоматизированными;

• Part-time или On-demand — полный привод временного использования. В обычных дорожных условиях включен привод только одного из мостов, полный привод подключается на скользких покрытиях.

• Selectable-time — селективная трансмиссия. В ней имеется возможность выбора одного из режимов: 2WD или 4WD, с автоматическим распределением тяги между мостами, жестко заблокированным межосевым дифференциалом и понижающей передачей.

2. По символам, используемым автопроизводителями на автомобилях:

• AWD — постоянный или автоматически включаемый полный привод;

• 4WD — полный привод, включаемый и выключаемый водителем;

• Quattro — полный привод автомобилей Audi с распределением крутящего момента по мостам 50:50 и управлением тягой всех колес посредством дифференциала Torsen;

• 4Matic — система автоматически подключаемого полного привода автомобилей Mercedes посредством многодисковых муфт;

• xDrive — система постоянного полного привода BMW с распределением крутящего момента по мостам 40:60 и управлением тягой всех колес посредством электронно-управляемых устройств.

Перспективы применения полноприводных легковых автомобилей в РФ

Все варианты систем полного привода имеют различные эксплуатационные свойства, что является важным для рынка Российской Федерации со своей сложной климатической и дорожной ситуацией. Автопроизводители предлагают практически все виды систем полного привода, и их классификация имеет серьезное значение для точного и однозначного определения целесообразности применения привода.

О необходимости такого шага свидетельствуют факты очень серьезного отношения зарубежных производителей, таких как Magna International, General Motors и других, к рынку РФ.

Мотивами применения систем полного привода в РФ является наиболее ожидаемый рост объемов их использования в Европе с расширением всех секторов рынка, а также предвидение необходимости роста тяговых показателей автомобилей эконом класса в качестве дорогостоящих модификаций, также как в автомобилях премиум класса.

Список литературы:

1. Н.В. Гусаков, Б.В. Кисуленко. Техническое регулирование в автомобилестроении. Словарь-справочник. Москва «Машиностроение» 2008.

2. Jurgen Stockmar. Dass groe Buch der Allrad-technik. Motor buch Verlag. Stuttgart. 2004.

3. ОАО «За рулем». Журнал «Мир легковых автомобилей». Автокаталог 2007. Выпуск 14.

4. Magna Powertrain Presentation. Product Catalog 2008.

5. Roger Johansson. General Motors AWD Strategy. 8 Europian All-Wheel Drive Congress Graz. 2007.

6. Сайт http: // www.eskimo.com

7. Сайт http: // www.avtonov.svoi.info

8. Сайт http: // www.autodata.ru