Кардан или крестовина? Центральный или межосевой? «Автомат» или «робот»? Не путать термины!

Признаюсь, я категорический противник материалов из серии «ликбез», поскольку для иных автомобилистов авторитет «дяди Васи» из соседнего гаража все равно несоизмеримо выше, чем авторитет всей изданной в мире специальной литературы и, увы, есть от чего. В то время, когда никудышные «Жигули» текли годами и даже десятилетиями, сыпались и гнили на глазах, только он — всемогущий «дядя Вася» оживлял их не только своими навыками и силой мысли, но и силой слова. Мы узнавали, откуда у советских инженеров растут руки, куда им нужно засунуть ту или иную деталь и как эта деталь называется. Короче говоря, мы верили «дяде Васе» и впитывали все без исключения знания про автомобиль, полученные от него. Время, однако, идет, и пора бы уже избавиться от иных гаражных стереотипов и наконец разобраться, почему двигатель — это не силовой агрегат, а… просто агрегат!

Есть в кардане шарики или там только иголки?

Любому автомобилисту, конечно, известна такая штука, как «кардан», она же — «крестовина», она же — «шарнир Гука». Как нетрудно догадаться, Гук — это изобретатель, придумавший сей удивительный механизм. Шарнир Гука предназначен для передачи мощности между двумя валами, расположенными под углом друг к другу. Стало быть, вал, в состав которого входит хотя бы один карданный шарнир, называют «карданным». Неудивительно, что этот шарнир нашел широкое применение в автомобиле, причем не только в трансмиссии, хотя в основном эту конструкцию знают именно по машинам классической компоновки, где карданный вал передавал мощность от коробки на задний мост. Применяют шарниры Гука и для передачи мощности к колесу, правда, в основном на тяжелой колесной технике, хотя есть и «легковые» примеры. Скажем, на первом поколении Subaru Leone, полноприводная версия которого появилась в 1972 году, валы с крестовинами использовали как раз для привода задних колес, но сегодня такого, конечно, быть уже не может. Короче говоря, в народе под «карданом» подразумевают именно шарнир Гука, то есть две вилки, соединенные между собой крестовиной через игольчатые подшипники.

Устройство карданных шарниров неравных (а, б, в) и равных (г, д) угловых скоростей. 1 — крышка; 2 — стопорная пластина; 3 — стакан подшипника; 4 — иголки; 5 — сальники; 6, 10, 24 и 28 — вилки; 7 — предохранительный клапан; 8 — крестовина; 9 — масленка; 11 — карданный вал; 12 — отражатель; 13 — самоподжимной сальник; 14 — стопорное кольцо; 15 и 16 — сальники радиального и торцевого уплотнений; 17 — внутренний кулак; 18 — центральный шарик; 19 — наружный кулак; 20 — ведущие шарики; 21 — штифт; 22 — шпилька; 23 — полуось; 25 и 27 — полуцилиндрические кулаки; 26 — центральный диск

А между тем известная всем «граната», состоящая из двух кулаков и шариков между ними, без которой сегодня не обходится практически ни один легковой автомобиль, тоже предназначена для передачи мощности между валами, расположенными под углом друг к другу. Вероятно, вы удивитесь, но «граната» — это тоже кардан! В чем же разница между ними? Для начала дадим правильные названия обоих шарниров. «Крестовина» — это «карданный шарнир неравных угловых скоростей». «Граната» — это «карданный шарнир равных угловых скоростей». Разница заключается в том, что при постоянной скорости входного кулака «гранаты» ее выходной кулак вращается тоже с постоянной скоростью. У шарнира неравных угловых скоростей при постоянной скорости входной вилки выходная вилка вращается не равномерно, а по гармоническому закону, то есть по синусоиде или по косинусоиде. Компенсировать это можно установкой второго шарнира, где входная вилка развернута относительно входной вилки первого шарнира на 90 градусов. Впрочем, при малых углах для компенсации часто используют компенсирующую резинометаллическую муфту. «Граната» не накладывает таких ограничений, однако из соображений возможности управления ведущими колесами, их наиболее оптимального расположения при установке и работе подвески применяют два ШРУСа. Короче говоря, и «граната», и шарнир с крестовиной относятся к карданным шарнирам.

Центральный или межосевой?

Выражение «центральный дифференциал» уже понемногу выходит из употребления, поскольку лишь у немногих автомобилей с постоянным полным приводом инженеры продолжают размещать в раздаточной коробке дифференциал. Однако пока этот термин в ходу, хорошо бы разобраться с ним, поскольку слово «центральный» не дает ни малейшего представления о том мифическом «центре», где вроде бы и должен находиться этот механизм с двумя степенями свободы.

В русский язык термин «центральный дифференциал» вошел исключительно с подачи журналистов, которые безо всякой адаптации перевели выражение, вычитанное в зарубежной англоязычной прессе. Чтобы вспомнить, откуда все пошло, переместимся в 1970 год, когда британцы вывели на рынок Land Rover Range Rover — первый в мире рамный внедорожник с постоянным полным приводом, за который отвечал размещенный в раздаточной коробке межосевой дифференциал. Поначалу фирма Rover Company называла его «третьим дифференциалом» (third differential) — в том смысле, что первые два раздают мощность между правым и левым передними и между правым и левым задними колесами.

Шасси и «рентгеновский» вид автомобиля Land Rover Range Rover: «третий» дифференциал размещен в раздаточной коробке, сблокированной с коробкой передач

Раздаточная коробка Land Rover Range Rover: читатели, даже поверхностно знакомые с устройством автомобиля, без труда обнаружат на этом прекрасном трехмерном «разрезе» межосевой дифференциал, который в компании тогда называли «третьим»

В августе 1979 года американская American Motors Corporation представила первый в мире массовый легковой автомобиль с постоянным полным приводом (выпущенные в 60-е годы мелкой серией Jensen SV-8 и Jensen FF не считаем). Чуть позже в конструкцию ввели механизм отключения передних колес. Здесь в раздаточной коробке тоже имелся дифференциал, которому, впрочем, не дано названия ни в пресс-релизе, ни в потребительской брошюре — составители пишут только про «автоматический полный привод, считывающий дорожные условия». Свободный дифференциал в раздаточной коробке блокировала вязкостная муфта, и вся «автоматичность» как раз к ней и относится.

Схема трансмиссии AMC Eagle (на примере версии с кузовом универсал). Как видим, здесь «центральный» дифференциал размещен вовсе не по центру…

В марте следующего года на автосалоне в Женеве фирма Audi NSU Auto Union AG, от которой, прямо скажем, не ждали прорывов, показала автомобиль Audi quattro. В потребительской брошюре «третий» дифференциал был назван как «center differential», однако это означало «делительный», то есть разделяющий поток мощности на два. Переводить в данном случае «center differential» как «центральный дифференциал» — все равно что General Motors как «генеральные моторы», что и делали в советское время в журнале «За рулем». Собственно, в презентациях и релизах компания употребляла выражение «interaxle differential», что переняли дисциплинированные англоязычные журналисты. А что же родная немецкая пресса? Лидирующее и по сей день мировое автомобильное издание auto motor und sport взяло на вооружение термины «Zwischendifferenzial» и «Mitteldifferenzial», то есть «промежуточный дифференциал» и «делительный, срединный» соответственно.

Схематичное изображение Audi quattro и раздаточной коробки, тоже далекой от «центра»

Между тем в процессе естественного замещения английская пресса уже в конце 80-х годов практически полностью перешла на «center differential», а немецкая — на «Zentraldifferenzial». А что у нас? А у нас, как мы сказали, журналисты, не потрудившись вникнуть в суть вопроса, просто назначили «межосевой» дифференциал «центральным». Это неверно, поэтому призываем вас говорить правильно — «межосевой».

Где — момент, а где — мощность?

Отвлечемся от железок. Вы, конечно, обратили внимание, что в разговоре о карданных шарнирах и дифференциалах мы всегда говорим о передаче мощности и распределении потока мощности, а не о передаче крутящего момента и его распределении, хотя мы привыкли к выражениям типа «дифференциал распределяет момент между осями в соотношении 40:60». Такое может случиться только в крайне редких случаях, заканчивающихся, как правило, поломкой, о чем ниже. Попробуем на пальцах, без погружения в формулы уяснить себе, чем мощность отличается от момента, и попросим читателей с инженерной подготовкой и слабыми нервами пропустить этот абзац. Итак, запомним главное: «мощность» — это то, чего не существует в природе, то, что нельзя «пощупать», это явление, не имеющее прикладной опоры. Мощность придумали инженеры исключительно для облегчения расчетов — никакого другого смысла эта категория не несет. В приложении к делам автомобильным под мощностью понимают комбинацию крутящего момента двигателя и числа оборотов коленчатого вала. Очень упрощенно можно сказать, что мощность — это «усилие в движении». Таким образом, крутящий момент — это одна из составляющих мощности.

Взаимосвязь крутящего момента, оборотов коленчатого вала двигателя и мощности лучше всего иллюстрирует внешняя скоростная характеристика двигателя. На рисунке — ВСХ 8-цилиндрового двигателя Audi рабочим объемом 3993 куб. см, который показывает максимум крутящего момента в 650 Нм в диапазоне от 1700 до 5500 об/мин. Максимум мощности в 382 кВт (520 л.с.) приходится на 6000 об/мин

В свою очередь и крутящий момент, и вращение — это уже самые что ни на есть настоящие природные величины. Вращение мы легко можем представить через количество оборотов за единицу времени. К примеру, скорость минутной стрелки часов — один оборот в час, а секундной — один оборот в минуту. Крутящий момент мы тоже можем замерить динамометром. Вспомним, что это — сила, помноженная на плечо ее приложения, то есть ньютон-метр. Сила, как мы помним со школьных лет — это произведение массы на ускорение свободного падения. А теперь вернемся к вопросу: может ли, к примеру, карданный вал передавать от коробки на ведущую шестерню главной передачи моста крутящий момент, не передавая при этом мощность? Как ни странно, да, но такие ситуации в эксплуатации автомобиля очень редки и кратковременны. К примеру, на дворе весна. Днем была оттепель, и автовладелец припарковал машину так, что ведущие колеса оказались в луже. Ночью ударил морозец и колеса сковал лед, чего водитель по рассеянности не заметил утром. Он садится в автомобиль, включает зажигание, выжимает сцепление, заводит мотор, включает передачу (если коробка была в нейтрали) и отпускает педаль сцепления. Если лед крепкий, то мотор через секунду заглохнет, если нет — мотору хватит сил сорвать колеса. Так вот. В те доли секунды, когда включенное сцепление еще не начало пробуксовывать, карданный вал (и вообще вся трансмиссия) действительно передают на колеса только крутящий момент: сила есть — вращения нет.

Двигатель — это не силовой агрегат?

Нет, нет и еще раз — нет. Двигатель можно назвать общим термином «агрегат», хотя официальных определений у «двигателя» много. К примеру, специальная литература советских времен подразумевала под двигателем «энергосиловую машину, преобразующую какой-либо вид энергии в механическую работу». В нынешнем Техническом регламенте Таможенного союза «О безопасности колесных транспортных средств» мы находим только «двигатель внутреннего сгорания», то есть «тепловой двигатель, в котором химическая энергия топлива, сгорающего в рабочей полости, преобразуется в механическую работу». Но если вам так нравится слово «силовой», то автомобильный двигатель можно называть еще и «силовой установкой»: технический регламент понимает под ней «двигатель внутреннего сгорания», «комбинированную силовую установку гибридного транспортного средства» или «электродвигатель».

Силовой агрегат VW Transporter не всегда устанавливался спереди, как сейчас — долгое время двигатель размещался в заднем свесе, а коробка — в базе

Одно время компоновку с разнесенным силовым агрегатом применяли не только на спортивных машинах, но и на обычных городских седанах, как эта Alfa Romeo Alfetta, у которой мотор был спереди, а коробка отнесена к заднему мосту

А что же такое «силовой агрегат»? Опять же, советская специальная нормативная литература подразумевала под этим «двигатель, сцепление и коробку передач», а нынешний национальный стандарт Российской Федерации «Колесные транспортные средства. Термины и определения» — «конструкцию, образованную двигателем и жестко связанными с ним агрегатами трансмиссии». Как видим, этот термин несколько расширен, скажем, сюда уже можно отнести и карданные валы, что, конечно, излишне. А что за границей? Немецкий стандарт DIN предлагал такую трактовку термина «силовой агрегат» — «двигатель, сцепление (если есть), коробка передач и система охлаждения». Но почему систему охлаждения считают отдельным самодостаточным элементом силового агрегата? Так сложилось исторически. Дело в том, что во время формирования европейских стандартов, то есть в послевоенное время, на рынке было представлено множество автомобилей, где мотор охлаждался не жидкостью, а воздухом, поэтому с появлением отдельной системы ее выделили как часть силового агрегата. Короче говоря, «двигатель» — это не «силовой агрегат».

«Автомат» — это «робот»?

В этом вопросе — на самом деле очень простом, мы пойдем от печки, то есть от научной дисциплины, которая называется «Теория автоматического управления». С ее элементами обычно знакомят всех студентов технических специальностей, начиная с самого простого автоматического устройства, которому уже почти 250 лет — с регулятора Уатта, работающего по пропорциональному закону. Мы, конечно, не будем погружаться в принцип действия автоматических механизмов, а сосредоточимся на терминологии, причем сразу — в приложении к коробкам передач. Итак, «автоматической» называется коробка, где водитель не выбирает ступень и не включает ее. В свою очередь «ручной» называют коробку, где водитель и выбирает ступень, и включает ее, перемещая рычаг в нужное положение и задействуя таким образом механическую систему тяг и рычагов.

Проще говоря, чтобы отличить автоматическую коробку от ручной (такие конструкции у нас принято называть механическими), нужно не открывать капот, а заглянуть в салон и посмотреть на педальный узел. Если педалей три, значит, на машине установлена ручная коробка передач, если педаль сцепления отсутствует и педалей всего две — «газ» и «тормоз», тогда знайте, что вы садитесь в автомобиль с автоматической коробкой. Конструкция «автоматов», а особенно в части управления, может быть различной — это тема отдельного материала, но сегодня мы хотим акцентировать внимание на «роботах». Примерно 20 лет назад, с широким распространением коробок передач с одним автоматическим сцеплением, публика почему-то стала выделять «роботы» в особый вид механизмов, что усилилось с распространением коробок с двумя автоматическими сцеплениями, которые имеют общее название «double clutch transmission» (DCT) или наиболее популярное — «direct shift gearbox», которое ввел в оборот Volkswagen.

Автоматическая коробка передач с двумя сцеплениями, как и все современные «автоматы», за редчайшим исключением, помимо работы в базовом режиме без участия водителя предлагает и полуавтоматический режим, когда водитель выбирает ступень (подрулевыми «лепестками» или селектором), а исполнительный механизм включает ее

Между тем «робот» — это точно такой же «автомат», в чем легко убедиться, посчитав педали на машине с DCT (DSG): водитель не выбирает ступень и не включает ее. В размежевании «роботов» и «автоматов» виноваты опять же журналисты, которые, не разобравшись, впрямую перевели слово «robotized» из зарубежной прессы, притом что гидромеханическая коробка-«автомат» с гидротрансформатором и планетарным редуктором — ничуть не менее «роботизированная», чем DCT/DSG.

А на сегодня мы с ликбезом закончили. Если понравилось — пишите в комментариях, в какую сторону нам развернуться, про какие узлы рассказать и какие стереотипы развеять, а может быть, и, наоборот, укрепить.