Системы полного привода: от истока до итога

За то время, что мы знакомы с системами полного привода, они прошли несколько ключевых этапов. Внедорожники Второй мировой войны. «Вэдовые» легковушки, осторожно предлагавшиеся с середины 80-х годов прошлого поколения. Наконец, легковые системы 4WD, появившиеся и ставшие популярными во второй половине 90-х. Это если очень сильно обобщать. Ну а если копнуть глубже, то окажется, что первая полноприводная машина появилась более века назад. И за этот период, едва ли не равный всей истории автомобиля, «вэдэ» сильно трансформировался, исходя из текущих необходимостей и представлений. Каким образом это происходило и с чем владельцам полноприводных автомобилей приходится иметь дело сейчас?

Век с гаком — это только история полного привода, связанного с ДВС. А до него умами конструкторов владел паровой двигатель. И уже с ним инженеры предлагали варианты реализации крутящего момента на обеих осях. Так, еще в 1824-27 гг. англичане Берстолл и Хилл разработали, запатентовали и испытали свой омнибус (фактически дилижанс на паровой тяге). Весил он 7-8 тонн, развивал то ли 10, то ли 13 км/ч, на подъемах подключал передние колеса — механизмом, подобным паровозному.

Первый полноприводный паромобиль выглядел примерно так. Передние колеса приводились для реализации тяги в сложных условиях. Например, на подъемах. Конец испытаниям этого тяжелого и медленного дилижанса положил взрыв котла

Через полвека на сей раз американец Бандельер получил патент на схожий аппарат, но что характерно, в нем имелось некое подобие межколесных дифференциалов — оси были разрезными и могли вращаться с разными угловыми скоростями. Еще спустя десятилетие (в 1893 г.) опять англичанин, Диплок, создал свой локомобиль для движения по рельсам. Схема его 4WD до нас не дошла. А у конструкции американца Котта, появившейся в 1900 году, привод на все колеса реализовывался цепями. На этом история паромобилей с полным приводом завершилась. Началось время ДВС. Впрочем, между теми и другими типами установок была небольшая прослойка полноприводных… электромобилей. В 1900 году еще молодой Фердинанд Порше, работая на фирму Lohner, создал механизм, приводившийся в движение электрическими мотор-колесами. В 1904-м его опыт повторили за океаном. Правда, в обоих случаях разработчики впоследствии были вынуждены дополнить электроагрегаты двигателями внутреннего сгорания.

Электромобиль Lohner-Porsche стал первым, имеющим мотор-колеса. Поначалу Фердинанд Порше сделал его переднеприводным, потом добавил еще пару электромоторов. Аппарат не обошелся без ДВС, который подзаряжал аккумуляторы, обладавшие небольшой емкостью

Примечательно, что все эти гениальные товарищи — от Берстолла до Порше — привод на вторую ось рассматривали только в качестве повышения тяговых возможностей транспортного средства. Голландский же Spyker 60 HP, появившийся в 1902 году (кстати, именно его признано считать первым полноприводным автомобилем), имел 4WD для других целей — гоночных. Думали ли тогда его разработчики об управляемости или также желали улучшить характеристики на пересеченной местности, сейчас мы уже не узнаем. Но для своего времени Spyker имел очень прогрессивную трансмиссию — с тремя дифференциалами —  межосевым и двумя межколесными. И уже тогда, как мы сейчас видим, стало очевидно — использование полного привода может преследовать различные цели. А развитие, соответственно, двигаться разными путями.

Поразительно, что голландцы, братья Спайкер, только в 1900 году выпустили свой первый автомобиль, а уже через пару лет свет увидела полноприводная конструкция — с раздаточной коробкой и тремя дифференциалами. Из других отличительных черт — 65-сильная «шестерка» и три тормозных механизма, один из которых работал на переднем карданном валу. Выпустили всего несколько 60 HP, они были дорогими и не снискали особой славы в гонках

Вездеходы

Так зачем нужен полный привод? Все-таки вездеходная его составляющая была для конструкторов всего мира первична. Это видно и по упомянутым выше колесным «паровозам», и по тому распространению 4WD, которое определила Первая мировая война. Еще до нее ряд забытых ныне компаний по обе стороны океана разрабатывали полноприводные модели. Однако все они были дороги и сложны в эксплуатации, необходимость привода лишней пары колес только усугубляла характеристики маломощных моторов. Вооруженный конфликт расставил правильные акценты. Выиграли две американские фирмы — Four Wheel Drive (FWD) и Thomas B. Jeffery Company. Счет тиражей их грузовиков идет на десятки тысяч — в течение войны они поставлялись в армии стран Антанты, включая Россию, где на вооружении стояла модель Quad от Thomas B. Jeffery. Что любопытно, обе компании создали новаторскую по тем временам схему. В задней части корпуса коробки расположили дополнительный пакет шестерен и симметричный межосевой дифференциал с механизмом принудительной блокировки! Сейчас это называется Full Time 4WD!

 
Грузовики Jeffery Quad (слева) и FWD (справа) появились в 1912 году и имели постоянный полный привод с симметричным межосевым дифференциалом. На этом сходство заканчивалось. Если у FWD были привычные сейчас мосты с заключенными внутри главными парами и полуосями, то Quad имел раздельные полуоси и редукторы, снизу прикрытые балкой подвески. В его трансмиссии присутствовали колесные редукторы, а с 1914 года межколесные дифференциалы стали самоблокирующимися

Раздаточная коробка, отделенная от КП, с жестким, без межосевого дифференциала подключением второй пары колес и понижающим рядом появилась в период между двумя мировыми войнами. Последняя из них исключила все сомнения в необходимости полного привода. И, вместе с тем, оставила вопросы себестоимости и технологичности, сроков изготовления транспортного средства. Достаточно вспомнить, что популярный в вермахте Opel Blitz только в четверти экземпляров имел колесную формулу 4х4, такая же ситуация складывалась в других странах, а Красная армия до конца ВОВ так и не получила аналогичного грузовика. Зато Вторая мировая родила новый класс автомобилей. Мы помним эти имена: Willys MB, ГАЗ-67, Schwimmwagen. Правда, на американской и русской машинах ради удешевления производства не было «понижайки».

Несмотря на то что с 1940 по 1945 годы было изготовлено менее двухсот седанов ГАЗ-61-73 и еще немного фаэтонов, тягачей и пикапов, модель оставила значимый след в истории советского и мирового автомобилестроения. Все-таки именно полноприводную «Эмку» принято считать первым комфортабельным вездеходом

Part Time на джипах просуществовал более 60 лет. Для внедорожников в полном смысле этого слова — идеальный вариант. Конструктивно простой, надежный даже после того как для передачи момента в «раздатке» начали использовать не шестерни, а пластинчатую цепь Морзе. И, кстати, способный экономить топливо. Особенно, когда в трансмиссии появились ступичные обгонные муфты, позволявшие разъединять колеса с полуосями, редуктором и карданным валом, что исключало дополнительные механические потери. Для современного «внедорожника» этого уже так мало... Part Time не в состоянии обеспечить стабильность поведения на различных покрытиях, дает преимущества только в конкретных условиях (на бездорожье), в остальных становясь обузой. Наконец, он неудобен и требует «вдумчивого» применения. Вымирающий вид! Как и те редкие «динозавры», на которых он используется — Jeep Wrangler, Land Rover Defender, УАЗы или TLC 70-й серии, предлагающийся на некоторых рынках.

 
Привод к передним колесам в «раздатке» может быть организован либо через шестерни, либо с помощью многорядной пластинчатой цепи Морзе. Первый вариант надежнее и ресурснее, второй тише. Впрочем, и цепь в состоянии ходить долго, надо лишь правильно пользоваться 4WD и менять масло. И шестеренчатый привод может не раздражать слух — не зря его используют в легковых BMW и Mercedes

Проблему удобства использования и управляемости решили возвращением к схеме FWD и Quad с постоянным полным приводом и принудительно блокируемым межосевым дифференциалом — для бездорожья. Открыл новую эпоху в 1970 году Range Rover. Потом была наша «Нива», другие джипы. Сейчас Full Time применяется на многих внедорожниках — Mercedes ML, Mitsubishi Pajero, TLC и TLC Prado, на том же Range Rover и Land Rover Discovery.

Голая механика

С джипами и другими вездеходами все было ясно с самого начала — в любом виде, но 4WD нужен. На легковых же автомобилях полный привод приживался, словно донорский орган — долго и с осложнениями. Будь то начало прошлого века или 80-е годы. Взять хотя бы Daimler образца 1907 года, больше известный по имени владельца — Dernburg-Wagen. Пятиметровый гигант с семилитровым мотором и Full Time неплохо бороздил африканские пески, однако так и остался в единственном экземпляре.

Dernburg-Wagen — неофициальное название автомобиля Daimler, который создавался специально для директора одной из немецкий колоний в Африке Бернхарда Дернбурга. Машина получилась проходимой, но дорогой. Из-за последнего качества ее не стали собирать в России, хотя такое предложение было

Всего лишь по несколько штук было изготовлено гоночных итальянских Bugatti Tipo 53 и американских Miller FWD, рассчитанных на асфальтовые и грунтовые трассы. Характерно, что фиатовские инженеры, создававшие Tipo, и владелец компании Гарри Миллер обменивались опытом. В итоге болиды появились одновременно, в 1932 году, и имели схожую трансмиссию — постоянный полный привод с тремя дифференциалами. Получилось дорого, не всегда надежно и для большинства представителей автомобильного мира непонятно.

 
Создававшиеся параллельно Bugatti Tipo 53 (слева) и Miller FWD (справа) не добились каких бы то ни было спортивных результатов. Но виной тому не полный привод. Напротив, 4WD помогал на гравийках, которых на гонках того времени хватало

Мысли о полноприводной легковушке вернулись в умы конструкторов в 50-е годы. Точнее, в два конкретных ума — англичан Ролта и Диксона, которые заразили своей идеей промышленника Фергюсона и создали в его фирме небольшой седанчик Ferguson R4. Во всем примечательный был автомобильчик, но в нашем случае — раздаточной коробкой. Британцы впервые использовали в ней самоблокирующийся дифференциал. Всего лишь добавили дополнительные шестерни, два пакета фрикционов и две обгонные муфты. При пробуксовке одной из пар колес соответствующая муфта зажимала фрикционы на шестерни, и дифференциал блокировался, обеспечивая стабильность поведения автомобиля в поворотах и лучший разгон на любых покрытиях.

Седан Ferguson R4, созданный в 1956 году, помимо постоянного полного привода с самоблокирующимся дифференциалом, нес и другие ноу-хау — оппозитный двигатель, дисковые тормоза на всех колесах и ABS. Автомобиль остался прототипом

Все 50-60-е годы компания Фергюсона пыталась самостоятельно выпускать полноприводные легковушки и пристраивала свою разработку на сторону. Последнее получилось лишь однажды — в 1966-71 гг. мелкими партиями производилось полноприводное купе Jensen Interceptor FF (FF — Формула Фергюсона). Именно он стал первым серийным полноприводным автомобилем с самоблокирующимся межосевым дифференциалом. «Серия» тоже была эксклюзивной — чуть более 300 экземпляров.

Jensen Interceptor FF: под капотом располагалась крайслеровская «восьмерка» мощностью 325 л. с. Альтернативой «механике» был 3-ступенчатый «автомат», плюс рулевая рейка вместо червяка-ролика и ABS. Но задняя подвеска имела зависимую схему и рессоры

Более-менее массовым стал другой автомобиль — внедорожник Jeep Wagoneer. В 1973 году он примерил трансмиссию Quadra-Trac, в своей основе имевшую вышеозначенную «раздатку». Спустя шесть лет появилась первая легковая массовая модель. В условиях внутреннего кризиса руководство фирмы AMC приняло решение «отлифтовать» имевшийся универсал Concord, позаимствовав раздаточную коробку у Wagoneer. Получилась модель Eagle — этакий предок нынешних Outback и Allroad. Выпускавший, кстати, в кузовах двух- и четырехдверный седан, фастбек и хэтчбек. До 1987 года с конвейера сошло порядка 200 тыс. экземпляров. Отличался «Орел» еще одной особенностью — обгонные муфты, блокирующие дифференциал, были заменены силиконовой жидкостью.

Подобную манипуляцию еще в конце 60-х годов производил все тот же Ролт и другой англичанин, Гарднер. Для чего? Обгонные муфты срабатывали жестко — дифференциал резко блокировался, что негативно сказывалось на управляемости. В новом узле сохранились фрикционные диски, но рабочим телом выступала силиконовая жидкость. При пробуксовке колес пакеты, связанные с соответствующими осями, вращались с разными угловыми скоростями. Росло давление и температура, жидкость густела и «прихватывала» дифференциал. Получалась достаточно мягкая его блокировка.

AMC Eagle — первый автомобиль, чей межосевой дифференциал для блокировки примерил вискомуфту. В остальном модель была достаточно тривиальна: 3-ступенчатая АКП, два двигателя, R4 и V6. Разве что кузовов было много. Но потребителю «Орел» полюбился именно за его внедорожные возможности

И все-таки Eagle был далеко, за океаном. В Старом Свете массовый и легковой полный привод стал известен под маркой Audi и под именем Quattro. С середины 80-х годов немцы стали использовать межосевое устройство Dual-Drive Differential, запатентованное еще в 1958-м. Сейчас этот узел известен всем под названием Torsen (от torque sensing — чувствительный к моменту). Он состоял из набора червячных и зубчатых шестерен и изначально делил тягу между передними и задними осями в соотношении 50:50. Но если вискомуфты срабатывали только при пробуксовке, Torsen мог буквально «чувствовать» разницу сцепных свойств в пятне контакта колес. Иными словами, реагировать на изменение крутящего момента на валах. И мгновенно еще до начала «букса» перебрасывать на колеса с лучшим сцеплением до 75% тяги. То, что нужно для стабильной управляемости и поддержания высоких скоростей на любых покрытиях.

Постоянный полный привод на серийных Audi появился в 1981-м. Центральный дифференциал блокировался принудительно. Спустя четыре года немецкие инженеры обратились к Torsen`у

К сожалению, впоследствии выяснилось, что и у «всесильного» Torsen есть недостатки. Высокая стоимость производства, сложности в компоновке при поперечном расположении силового агрегата. В конце концов, сам принцип работы, при котором полная потеря сцепления одним из колес означала минимум момента на трех остальных. Последний порок решали разными путями — принудительными механическими или электронными блокировками межколесных дифференциалов, ABS. И продолжают решать — хотя бы работой системы стабилизации. Torsen не сошел со сцены. На большинстве моделей его использует Audi, или, например, Toyota (Land Cruiser). Однако из-за компоновочных сложностей и высокой себестоимости инженеры двинулись дальше.

Torsen применяется и как межосевой, и как межколесный дифференциал. Его можно встретить и на джипах, где зачастую он имеет принудительную блокировку

Электронные реалии

Актуально выглядел вообще отказ от межосевого дифференциала. Зачем массовой легковушке с поперечным расположением агрегата лишние вес и стоимость, когда получить 4WD можно той же вискомуфтой. Достаточно разместить ее у заднего редуктора – при пробуксовке передних колес будет блокироваться и передавать момент на задние. В середине 80-х по такой схеме был построен VW Golf II и несколько японских моделей. Дешево и эффективно? Не совсем так. Никак не регулируемая вискомуфта делала характер управляемости автомобиля неоднозначным. Выход был найден в другом узле — муфте с теми же фрикционными дисками, но блокируемыми гидравликой под присмотром электроники.

Принято считать, что первое подобное устройство у шведского концерна Haldex появилось в 1992 году. Именно тогда фирма купила лицензию на его производство у своего соотечественника, одного из инженеров компании SAAB. Серийно муфта появилась на VW Golf IV в 1998 году. Между тем, за полтора десятилетия до этого с «мокрыми» муфтами экспериментировали в Mercedes и Porsche. В 1989 году аналогичную получил Nissan Skyline в версиях GT-R и GTS4. А Subaru Leone оснащался неким подобием такого узла еще в 1979-м. У седанов и универсалов с АКП была кнопка, подававшая напряжение на соленоид, управлявший гидроприводом, который сжимал пакеты фрикционов.

Рискнем заявить, что прообразом нынешних паркетников, а точнее, их систем полного привода был вот такой седан Subaru Leone, чья муфта подключения задней оси могла работать в автоматическом режиме. Но с кнопки она еще и полностью выключалась из работы

Конечно, сейчас муфта Haldex — наиболее раскрученный продукт, в чем немалая заслуга маркетологов. Хотя и с инженерной точки зрения она значительно эволюционировала. Прошла ряд модернизаций: поменяла механический насос на электрический, скинула в весе, стала компактнее и оперативнее в работе. Если ранее пакеты замыкались только после пробуксовки передних колес, то с некоторых пор Haldex смог передавать на заднюю ось до 5-10% момента. Самые последние муфты и вовсе способны превентивно, исходя из дорожной ситуации и по командам борткомпьютера, подключать задние колеса. А электронная начинка позволила настраивать систему под конкретный автомобиль. Скажем, не секрет, что Haldex может перекидывать на вторую пару колес до 100% момента. Но программное обеспечение в состоянии сократить эту цифру до 40, 60 или 80%, сделав характер более «переднеприводным» и понятным.

 
Принципиальное отличие систем Haldex и им подобных от вискомуфты в том, что сжатие дисков здесь можно регулировать, передавая на вторую пару колес столько момента, сколько необходимо в данной ситуации. Более того, Haldex может делать это загодя, руководствуясь информацией от датчиков

И знаете, теперь Haldex только верхушка айсберга. xDrive у BMW, ATTESA у Nissan, а сколько в последнее десятилетие появилось кроссоверов и паркетников. И у всех — никакого постоянного полного привода, никаких центральных дифференциалов. Только муфта в приводе второй пары колес. А уж ее можно настраивать соответственно уровню и цене автомобиля. Обеспечивать преднатяжение фрикционов и привязку к множеству датчиков. Или дополнять лишь принудительной блокировкой. Впрочем, муфта представляется логичной именно как элемент, повышающий стабильность поведения автомобиля на дороге. Внедорожный ее потенциал сильно ограничен. Во-первых, многие производители кроссоверов не утруждают себя устройством жесткой блокировки пакетов. Во-вторых, даже она не всегда спасает диски от перегрева и активного износа. Увы, возвращения к механическим схемам на кроссоверах не предвидится.

У паркетников и кроссоверов сейчас не найти передачу момента «по металлу» — только через «мокрую» многодисковую муфту. В плюсах экономия веса и меньший расход топлива. Но воспринимать такие машины как внедорожники нельзя — фрикционы не шестерни, их не стоит «рвать» на бездорожье, да и на асфальте тоже

И все-таки «железо» не стоит сбрасывать со счетов. Например, Mercedes до сих пор использует на легковых моделях честный дифференциал, хотя и блокирует его фрикционом, причем безо всякой электроники. Mitsubishi и Subaru пошли дальше. У Lancer Evo VII и Subaru Impreza WRX STi начала 2000-х годов «центры», управляемые процессором, могут в зависимости от условий менять степень своей блокировки. Кстати, Subaru тогда экспериментировала даже с дифференциалом, чью жесткость блокирования можно было менять из салона, колесиком.

Ну а верх развития легковых полноприводных систем — задний дифференциал AYC на том же Lancer Evo VII и система SH-AWD на Honda Legend последнего поколения и Acura MDX. Эти уже способны перераспределять момент между левым и правым колесами, то есть управлять вектором тяги.

Сегодня многочисленные рычаги управления полным приводом, а равно особые алгоритмы и условия его подключения, становятся достоянием истории

Наступившее будущее? Скорее, один из его вариантов, оставшийся уделом Lancer Evo. Думается, когда-нибудь придет то время, когда многодисковая муфта тоже станет рудиментом. Во всяком случае, у Toyota уже есть полноприводные гибриды, в которых тягу на второй паре колес обеспечивает электромотор…