Полноприводные трансмиссии

В 1961 на старт GP Великобритании вышел необычный «болид» под названием Ferguson P99. От соперников он отличался … 4-я ведущими колесами: такого в чемпионатах мира по Формуле 1 не видели давно¹. Надо сказать, сколько-то заметных успехов пионерный P99 не добился; незрелая конструкция. Однако идея носилась в воздухе, и в 1965 объявился полноприводный Jensen FF – «штучный» британский GT с мощной крайслеровской «восьмеркой» под капотом. Трансмиссия 4WD у него по сути повторяла конструкцию незадачливого Ferguson P99, но автомобиль получился ничего себе. Он и положил начало интересному направлению в автомобилестроении: создание быстроходных легковушек с полноприводной трансмиссией.

Зачем 4WD?

И к чему, спрашивается, скоростным автомобилям 4 ведущих колеса? Со «вседорожниками» понятно, а нуждается ли в полноприводной трансмиссии Jensen FF?

Еще как нуждается, и британский инженер Henry Ferguson рано осознал преимущества полного привода. Г.Фергюсон, не только квалифицированный технарь, но и крупный промышленник², располагал немалыми возможностями для реализации своих замыслов. Одним из воплощений его замыслов и стал гоночный Ferguson P99.

И все-таки зачем 4WD? Зачем? Прежде всего - безопасность движения по мокрым и скользким дорогам. Почти то же самое, что с торможением, только наоборот. Для малоопытного водителя опасна пробуксовка ведущих колес под «газом»: так называемый «силовой» занос при проскальзывании задних - или снос, когда буксуют передние. Тогда как вероятность пробуксовки при 4-х ведущих колесах гораздо ниже; в том-то и состоял замысел Г.Фергюсона.

Суть дела проясняет так называемая «круговая диаграмма» Камма³: окружность (см. рис.) очерчивает пределы сцепления покрышки в пятне контакта с ходовой поверхностью. Скажем, предельное усилие, какое резина способна передать (за счет трения покоя) на сухой дороге – 4 тыс. ньютонов. В любом направлении: вперед (ускорение), назад (торможение), в строну (центробежная сила в вираже). Без разницы, но не больше 4 тыс. Н! Сила трения-то в пятне контакта одна – на все про все. И если при интенсивном разгоне на (задние) ведущие колеса падает тяговое усилие под 8 тыс. Н, то оно «выбирает» силу сцепления покрышек с дорогой практически целиком. На боковые усилия ничего не остается: автомобиль ерзает «кормой» - опасный для малоопытного водителя «силовой» занос.

А что касается спортивно-гоночных автомобилей, то о них особый разговор. Тут главное – сцепной вес: доля веса «болида», которая приходится на ведущие колеса. Скажем, 58% на заднюю ведущую ось у центральномоторной «формулы». Неплохо, но далеко не 100%. А от сцепного веса зависит предельное ускорение автомобиля со старта: задние колеса буксуют от избытка тяги, и «болид» разгоняется не так быстро, как позволяет двигатель. Тогда как полный привод дает 100% сцепного веса – по построению.

Вот (по меньшей мере) две причины, которые оправдывают применение непростых и недешевых трансмиссий 4WD. Разве мало? Короче говоря, тягу двигателя лучше распределять не на два, а на все 4 колеса – ради безопасности и динамики. И с середины 60-х процесс пошел: появился скоростной Jensen FF с полноприводной трансмиссией по «формуле Фергюсона». Какая еще формула? Разве схема не ясна: трансмиссионные валы передают крутящий момент на обе ведущие оси – и порядок. Зачем усложнять?

К сожалению, просто только на первый взгляд; в реальности трансмиссия 4WD не обойдется без таких малоприятных вещей, как дифференциалы. Причем двух маловато; нужны все 3: пара по ведущим осям – плюс центральный (межосевой) дифер. И тут возникает острая зубная боль…

Капризы дифера

Сложно представить автомобиль без всякого дифференциала: например, движение в повороте. Все 4 колеса катятся по разным радиусам кривой и проходят неодинаковый путь. Если не позволить ведущим колесам крутиться вразнобой, тому или иному из них придется пробуксовывать (а то и обоим); машина станет трудно управляемой. Вспомните, как ведет себя «вседорожник» при жесткой блокировке межосевого дифера... .

Ладно, раз уж без них никак, ставим 3 дифференциала. Порядок? Боюсь, еще нет… Тут нужно разобраться, что такое дифер? Делитель, один из простейших механизмов – где-то после рычага и ворота: он делит крутящий момент (но не мощность!) по двум выходным валам в заданной пропорции⁴ – и позволяет им крутиться с неодинаковыми оборотами. Когда дифференциал делит входной момент пополам, его так и называют – симметричный. Однако их делают и несимметричными: 60/40%, 70/30% – как скажете. Все зависит от количества зубьев у ведомых шестерен – одинаковое или разное. Но когда дифер собран, его свойства уже не меняются – 50 на 50 (или как он там исполнен).

Несложный шестеренный механизм, а зубчатые колеса делают разные. И дифференциалы тоже – конические (самые обычные), цилиндрические, червячные... Соответственно, но идея одна и та же. Гениальная простота: монтируем в ведущий мост дифер (симметричный или нет) – вперед и с песней! На прямой колеса по бортам крутятся с одинаковой частотой, а в повороте дифференциал позволяет внешнему колесу забегать вперед (или отставать внутреннему). Причем тяга постоянно транслируется на оба ведущие колеса; разве не гармония? .

И в самом деле – до тех пор, пока одно из ведущих колес не подскочит на неровности или не попадет на скользкую поверхность. Видели, как одно из ведущих колес на злу головушку шлифует лед, тогда как другое остается неподвижным? Здесь весь характер дифференциала; уж так он устроен. Дифер не просто делит входной крутящий момент, а (если он симметричный) выравнивает моменты на выходных валах. И когда – не дай Бог! – сопротивления качению на одном из колес падает практически до 0 (вывесили на домкрате), он добросовестно сбалансирует моменты на обоих. То есть, оставит без тяги также и то колесо, которое надежно опирается на ходовую поверхность. Вся мощность⁶ (ее-то дифференциал не делит) улетает в бешеную раскрутку «холостого» колеса; вас устраивает?

Свободный дифференциал доставляет немало неприятностей, даже когда он один-единственный – в (заднем или переднем) ведущем мосту. А когда их 3 – как в полноприводной трансмиссии! И каждый в любой момент готов подложить свинью: стоит одному из 4-х колес потерять сцепление с дорогой, как мощность тут же уйдет именно на него. То есть, трансмиссия 4WD с центральным дифером (без блокировки тем или иным способом) практически неработоспособна: свободные дифференциалы беспрерывно гоняют то одно, то другое из колес. А то и пару (по борту) одновременно – вхолостую.

Причем дело не только в потере тяги; колесо подскочило в воздух – и тут же бешено раскручивается всей мощью мотора. При приземлении неизбежны его резкое торможение и пробуксовка – с нарушением стабильности машины на траектории, и так чуть не каждую секунду. И т.п., однако попробуйте обойтись без центрального дифера: автомобиль становится трудно управляемым в виражах. Коллизия.

Формула Фергюсона

Нехитрая мораль: трансмиссию 4WD невозможно строить со свободными дифференциалами; она окажется неработоспособной. Свободу диферов (во всяком случае центрального) необходимо ограничивать. Но с умом! Так сказать, толерантно: в каких-то (нешироких) пределах межосевой дифференциал пусть остается свободным – и не ухудшает управляемость быстроходного автомобиля. И лишь когда дифер грозит проявить свой зловредный норов, приводить его в чувство – посредством «мягкой» блокировки.

То есть, центральный дифференциал дополняется своеобразным устройством, которое деликатно (!) ограничивает его свободу; в том-то и состоит «формула Фергюсона». Так, и Ferguson P99, и Jensen FF оснащались особой «раздаткой» – под названием Duolok. Довольно замысловатая конструкция с несимметричным (планетарным) дифером: распределение крутящего момента по осям – примерно 37/63%. Однако главное в другом: две (шариковые) обгонные муфты. Они не встревают до тех пор, пока разница в оборотах переднего и заднего трансмиссионных валов не превысит заданного порога. А тогда забегающий вал «прихватывается» своей обгонной муфтой: «мягкая» толерантная блокировка – вплоть до 100%..

И ведь работала «раздатка» Duolok! Во всяком случае в трансмиссии Jensen FF: высокодинамичный автомобиль с мощной «восьмеркой» прекрасно вел себя на скользкой дороге. А к сезону 1969 команды Формулы 1 дружно подготовили каждая по полноприводному «болиду». Lotus 63, Matra MS84, McLaren M9A… Все та же «формула Фергюсона»: межосевой дифференциал с толерантной блокировкой. Увы, опять без всякого успеха: «активная» аэродинамика («антикрылья») давала не меньший эффект – сравнительно простыми средствами. А в начале 70-х трансмиссии 4WD в Формуле 1 и вовсе запретили; вопрос ушел из повестки дня. .

Другое дело ралли-спорт: к концу 70-х самые крутые «болиды» WRC обзавелись полноприводными трансмиссиями – по «формуле Фергюсона». На скоростных участках их преимущество оказалось столь велико, что моноприводные конструкции скоро выбыли из конкуренции. В ралли-спорте наступила эпоха 4WD, которая продолжается и по сей день. Идея Г.Фергюсона (он ушел еще в 1960) оправдала себя на все 100. .

Окончание обзора полноприводных трансмиссий

Фото AP, Audi, Lancia.

---

¹
В I половине 30-х на гоночные трассы выходил нескладный полноприводный Bugatti 53. Без пользы.
²
Транснациональная корпорация Massey Ferguson: тракторы и дорожно-строительные машины.
³
Wunibald Kamm, немецкий автомобильный инженер и специалист по аэродинамике (I половина прошлого века).
⁴
Дифференциал делит крутящий момент в заданном соотношении – и только дифференциал! Когда говорят, что при жестком подключении 2-го моста тяга распределяется в пропорции 50/50, - школьная ошибка. Ничего подобного.
⁵
Мощность равна, как известно, произведению момента на обороты вала. Поэтому, если один из валов остановлен, то мощность на нем, по определению, равна 0 (хотя крутящий момент вполне приличный).