Как работает полный привод Subaru. Часть 1, "Чем муфта отличается от дифференциала"
Конструкция современного полного привода — темный лес для многих, включая журналистов. Отсюда и перлы типа "задняя ось подключается при пробуксовке передних колес", и негативное отношение к любому приводу кроме трехдифференциального с тремя блокировками:) Этот пост включает в себя техническое описание и принцип работы различных типов полного привода автомобилей Subaru. Это описание взято из технического мануаля для обучения сотрудников Subaru, и насколько я понимаю, на драйве не публиковалось, так что будет полезно многим.
Устройства распределения крутящего момента по осям
При плохих условиях или на скользкой дороге (с низким значением μ) автомобиль с системой блокированного полного привода использует все преимущества полного привода, тогда как на дороге с хорошим покрытием (с высоким значением μ) он может проявлять нежелательные эффекты циркуляции мощности и торможения в крутом повороте.
Поэтому в системе постоянного полного привода используются устройства распределения крутящего момента по осям. Это или межосевой дифференциал, или вискомуфта, передающая часть тяговых сил на отстающие колеса или же многодисковая муфта MP-T (Multi Plate Transfer), позволяющая изменять свойства соединения между передней и задней осями по сигналу системы автоматического управления. Эти устройства позволяют устранить эффект торможения в крутом повороте, являющийся недостатком систем блокированного полного привода. SUBARU использует следующие типы систем полного привода:
1. Автоматическая трансмиссия (вариатор) с многодисковой муфтой передачи крутящего момента c гидравлическим управлением (MP-T)
Примечание: На российском рынке такой тип трансмиссии имеют Subaru Outback, Subaru Forester, Subaru XV c трансмиссией Lineartronic.
В данной системе многодисковая муфта с гидравлическим управлением (муфта передачи крутящего момента) устанавливается между ведущим валом редуктора, являющимся выходом на переднюю ось, и задним ведущим валом, являющимся выходом на заднюю ось. Она регулирует соединение между передней и задней осями за счет изменения сжатия дисков муфты в зависимости от условий движения. Управление осуществляет электронный блок управления трансмиссией.
Когда автомобиль движется по дороге с твердым покрытием в нормальных условиях, сила тяги, необходимая для движения автомобиля, относительно невелика, и возможности привода на два колеса достаточны для ее обеспечения.
В то же время, при движении в режиме блокированного полного привода по дорожному покрытию с высоким значением μ, проявляется циркуляция мощности в трансмиссии — это недостаток системы полного привода.По этой причине система управляет распределением крутящего момента по осям следующим образом:
При обычном движении система работает так, чтобы избежать циркуляции мощности в трансмиссии, а поведение автомобиля становится близким к поведению автомобиля с системой переднего привода. Если требуется большая сила тяги, например, при ускорении, движении на подъем или по неровной дороге, за счет высокой степени блокировки привода муфтой передачи крутящего момента начинают проявляться преимущества полного привода.
Однако, даже при нагрузке в условиях движения, по дороге с ровным покрытием на постоянной скорости приблизительно, от 10 до 20% крутящего момента распределяются на заднюю ось, чтобы улучшить устойчивость прямолинейного движения за счет снижения риска сноса передней оси и снизить чрезмерный эффект недостаточной поворачиваемости, свойственный системе переднего привода.
Ступица муфты MP-T установлена на ведущем валу редуктора, который передает крутящий момент с трансмиссии на переднюю ось, а барабан муфты установлен на валу привода на заднюю ось. Между ступицей и барабаном муфты расположены через один ведущие и ведомые диски, образующие муфту передачи крутящего момента.
В задней части муфты передачи крутящего момента находится поршень, сдавливающий диски под действием давления рабочей жидкости трансмиссии. Изменяя гидравлическое давление, прикладываемое к этому поршню, можно бесступенчато управлять муфтой, от полностью выключенного, до полностью включенного состояния.
Система управления давлением муфты передачи крутящего момента состоит из соленоида электромагнитного клапана муфты передачи крутящего момента и самой муфты передачи крутящего момента. Клапан интегрирован в гидроблок автоматической трансмиссии. Соленоид электромагнитного клапана муфты передачи крутящего момента управляется сигналом с широтно-импульсной модуляцией, передаваемым с модуля управления трансмиссией (TCM).
Если коэффициент заполнения импульсов управляющего сигнала с TCM мал, управляющий клапан выдает низкое давление на поршень муфты передачи крутящего момента. Соответственно степень включения муфты передачи крутящего момента мала.
Если коэффициент заполнения импульсов управляющего сигнала с TCM повышается, управляющий клапан повышает давление на поршень муфты передачи крутящего момента. Таким образом, степень включения муфты передачи крутящего момента повышается.
2. Автоматическая трансмиссия с межосевым дифференциалом VTD (Variable Torque Distribution) + гидравлическая муфта блокировки
Примечание: Система VTD на данный момент на рынке не представлена, ранее устанавливалась на модели Subaru Legacy GT 2010-2013, Forester S-Edition 2011-2013, Outback 3.6 2010-2014, Tribeca, WRX с автоматической трансмиссией.
Несимметричный межосевой дифференциал используется для распределения крутящего момента между передней и задней осями в заданной пропорции. В данной системе между водилом, служащим выходным элементом для привода на переднюю ось и солнечной шестерней (2-й), служащей выходным элементом для привода на заднюю ось устанавливается гидравлически управляемая муфта блокировки.
Если межосевой дифференциал был бы свободным, при пробуксовке одного из колес крутящий момент не передавался бы на остальные колеса. Для решения этой проблемы и используется муфта блокировки, перераспределяющая крутящий момент в пользу запаздывающих колес и ограничивая разность частот вращения между осями. Управление блокировкой осуществляет блок управления трансмиссией.
Данная система включает в себя несимметричный межосевой цилиндрический дифференциал с внешним зацеплением, встроенный в механизм передачи крутящего момента. Он позволяет компенсировать разность частот вращения между передней и задней осями, а также обеспечивать неравное распределение крутящего момента между передней и задней осями (45:55). Число зубьев планетарной передачи подобрано таким образом, чтобы обеспечить неравное распределение крутящего момента между передней и задней осями, с передачей большей силы тяги на задние колеса, нежели на передние.
Это позволяет достичь управляемости, сравнимой с автомобилем с системой заднего привода, поскольку “подталкивание” автомобиля сзади улучшает поворачиваемость. Кроме того, лучше используется сцепной вес автомобиля при разгоне, когда нагрузка на колеса перераспределяется в пользу задней оси.
Межосевой дифференциал, представляет собой планетарную передачу с внешним зацеплением с двухвенцовыми сателлитами. Входной крутящий момент подводится на переднее (левое на рисунке) солнечное зубчатое колесо. Выход на переднюю ось – с водила через зубчатую передачу. Выход на заднюю ось – с заднего (правого на рисунке) солнечного колеса. Кроме того на заднем торце межосевого дифференциала между водилом и задним солнечным колесом установлена многодисковая муфта, которая обеспечивает блокировку дифференциала.
При обычном движении (нагрузка в условиях шоссейного движения) муфта блокировки находится в практически отключенном состоянии, а межосевой дифференциал распределяет крутящий момент между передней и задней осями в соотношении 45:55 соответственно. При изменении условий движения блок управления трансмиссией увеличивает давление на поршень муфты, увеличивая степень блокировки дифференциала. При этом оцениваются скорости колес передней и задней оси, нагрузка двигатель и т.д.При изменении условий движения по команде блока управления автоматической трансмиссией включается муфта блокировки, обеспечивающая создание требуемой степени блокировки дифференциала.
Несимметричный межосевой дифференциал
Межосевой дифференциал представляет собой двухрядную планетарную передачу с двухвенцовыми сателлитами и внешним зацеплением. 1-я и 2-я солнечные шестерни установлены на промежуточном валу и заднем ведущем валу соответственно. Три сателлита, установленные на водило, имеют конструкцию, состоящую из двух одновенцовых сателлитов 1-го и 2-го, объединенных в единый двухвенцовый сателлит.Мощность, передаваемая на промежуточный вал и 1-ю солнечную шестерню с трансмиссии, распределяется на два выхода: выход на задние колеса через 2-ю солнечную шестерню и задний выходной вал и на передние колеса через редуктор, приводимый от водила.
Предположим, что мы фиксируем 1-ю солнечную шестерню на месте, а затем вращаем 2-ю солнечную шестерню по часовой стрелке. При вращении 2-й солнечной шестерни, 2-й сателлит вращается против часовой стрелки. Поскольку сателлит в сборе имеет единую конструкцию, связывающих сателлиты с венцами разных диаметров, 1-й сателлит также вращается против часовой стрелки с той же частотой, что и 2-й сателлит. В то же время, поскольку 1-я солнечная шестерня зафиксирована, 1-й сателлит начинает вращаться по 1-й солнечной шестерне против часовой стрелки. В результате водило, на котором установлены сателлиты в сборе, поворачивается против часовой стрелки.
Это означает, что при фиксированном входном валу, когда 2-я солнечная шестерня действует, как выходной вал на задние колеса, водило действует, как выходной элемент на передние колеса, поворачиваясь в противоположном направлении. Это показывает, что наборы планетарных рядов могут использоваться в качестве межосевого дифференциала.
Далее давайте рассмотрим, каким образом крутящий момент распределяется между передней и задней осями при помощи межосевого дифференциала.
На этот раз допустим, что мы поднимаем кузов автомобиля таким образом, чтобы передние колеса не вращались, и подаем усилие привода на промежуточный вал. В таком состоянии 1-я солнечная шестерня будет вращаться, тогда как водило будет зафиксировано. Если шестерни, составляющие наборы планетарных передач, имеют следующее количество зубьев, число оборотов 2-й солнечной шестерни на один оборот 1-й солнечной шестерни рассчитывается следующим образом:
1-я солнечная шестерня: 33 зуба;2-я солнечная шестерня: 18 зубьев;Оба сателлита: 21 зуб.
Поскольку водило было зафиксировано, число оборотов 1-го сателлита на один оборот 1-й солнечной шестерни составляет:33/21 (= 11/7)
Поскольку 2-й сателлит и 1-й сателлит выполнены единым узлом, 2-й сателлит также поворачивается на 11/7 оборота.
В то время как 2-й сателлит поворачивается на11/7 оборота, 2-я солнечная шестерня поворачивается на:11/7 × 21/18 = 11/6 (приблизительно 1,83)
Исходя из вышесказанного, мы можем видеть, что 2-я солнечная шестерня поворачивается приблизительно на 1,83 оборота, тогда как 1-я солнечная шестерня поворачивается на один оборот.
Поскольку два ряда планетарной передачи в таких условиях работает, как обычная повышающая передача, крутящий момент передается на 2-ю солнечную шестерню (заднюю полуось) с понижением до 6/11 (приблизительно 55%) от входного крутящего момента.
Усилие, требуемое в этот момент для фиксации водила, равно крутящему моменту, распределяемому на переднюю ось, и составляет 5/11 (приблизительно 45%) от крутящего момента, подаваемого на 1-ю солнечную шестерню, а его остаток передается на 2-ю солнечную шестерню.
Блокировка дифференциалаМежосевой дифференциал предназначен для компенсации разности частот вращения между передней и задней осями, возникающей при повороте и т.д. Однако если одно из четырех колес теряет сцепление с дорогой и начинает пробуксовывать, межколесный дифференциал этой оси сбрасывает момент на колесе другого борта и, соответственно, момент на входе в него. Межосевой дифференциал, соответственно, будет неспособен передать тягу на оставшиеся колеса, сохраняющие сцепление с дорогой (эти колеса прекратят передавать тяговую силу). Чтобы избежать этого эффекта, в системе VTD применена многодисковая блокирующая муфта c гидравлическим управлением, установленная в задней части межосевого дифференциала. Ведущие и ведомые диски муфты встроены между водилом, работающим в качестве выходного элемента для передней оси, и задним ведущим валом, работающим в качестве выходного элемента для задней оси. Включение муфты обеспечивает частичную (вплоть до полной) блокировку дифференциала.
При обычном движении (малые разности скоростей колес передней и задней оси, малая нагрузка двигателя и т.д.) самоблокирующаяся муфта выключается снижением гидравлического давления на поршень, позволяя межосевому дифференциалу компенсировать разность частот вращения между передней и задней осями и распределять крутящий момент с двигателя на переднюю и заднюю оси в соотношении 45:55.Но если блок управления трансмиссии выявляет изменение условий движения, требующих блокировки дифференциала (например, одно из колес начинает пробуксовывать), блокирующаяся муфта включается, создавая момент между водилом и задним ведущим валом, т.е. между валами выхода на переднюю и заднюю ось. Это означает, что передняя и задняя оси постепенно блокируются вплоть до полной блокировки привода.
Гидравлическая система автоматической трансмиссии с системой VTD в целом аналогична системе автоматической трансмиссии с многодисковой муфтой передачи, и состоит из электромагнитного клапана муфты передачи крутящего момента, управляющего клапана муфты блокировки и самой муфты. Соленоид электромагнитного клапана муфты управляется сигналом с широтно-импульсной модуляцией, передаваемым с TCM.
Процесс управления давлением на поршне муфты аналогичен процессу в автоматической трансмиссии с многодисковой муфтой передачи.
3. Механическая трансмиссия с симметричным межосевым дифференциалом + вискомуфта
Примечание: Система полного привода с межосевым самоблокирующимся дифференциалом с вискомуфтой CDG — на российском рынке Forester и Subaru XV — с механической трансмиссией. Ранее также WRX с механикой. Есть и более продвинутый вариант, система полного привода с многорежимным межосевым дифференциалом DCCD, который стоит на Subaru WRX STI с механической трансмиссией.
В данной системе совместно используются симметричный межосевой дифференциал на конических шестернях, распределяющий крутящий момент на переднюю и заднюю оси поровну, а также вискомуфта, осуществляющая частичную блокировку дифференциала. Вискомуфта устанавливается между корпусом дифференциала, являющимся входным элементом, и валом привода на заднюю ось.
В межосевом дифференциале механической трансмиссии с системой полного привода используется сочетание механизма дифференциала на конических шестернях и механизма самоблокировки на вискомуфте.
При нормальном движении межосевой дифференциал распределяет крутящий момент на переднюю и заднюю оси в соотношении 50:50 и поглощает разность частот вращения между передней и задней осями.Когда между передней и задней осями возникает разность частот вращения, вискомуфта, установленная между корпусом дифференциала и валом редуктора привода на заднюю ось, передает крутящий момент со стороны высокой частоты вращения на сторону низкой частоты вращения, повышая силу тяги на медленной стороне (на стороне, где имеется сцепление с дорогой). Это повышает способность автомобиля к выходу из пробуксовки. Кроме того, когда нагрузка перераспределяется на задние колеса, например, в результате ускорения или при движении на подъем, система может улучшить ходовые характеристики, приближая их к системе блокированного полного привода, поскольку коэффициент распределения нагрузки по осям приближается к соотношению распределения силы тяги.
Межосевой дифференциал с вискомуфтойБлагодаря применению вискомуфты, соединяющей корпус дифференциала и ведущую шестерню редуктора привода на заднюю ось, конструкция межосевого дифференциала получается компактной, и позволяет продемонстрировать высокую эффективность при относительно небольшом объеме.
В межосевом дифференциале с вискомуфтой за счет разности частот вращения передних и задних колес вырабатывается вязкостный крутящий момент, и он автоматически ограничивает пробуксовку между передними и задними колесами, а также распределяет крутящий момент на передние и задние колеса.Межосевой дифференциал предназначен для равного распределения крутящего момента, передаваемого на пустотелый ведущий вал через сцепление, первичный вал и различные зубчатые передачи трансмиссии, между передними и задними колесами. Он также поглощает разность частот вращения между передними и задними колесами, возникающую при повороте автомобиля.
За счет добавления вискомуфты в дифференциал, удается добиться следующего. Например, если передние колеса теряют сцепление с дорогой и начинают пробуксовывать на грязной дороге, вязкостный крутящий момент, вырабатываемый в вискомуфте и зависящий от разности частот вращения между корпусом дифференциала и задними колесами, передается с передних колес на задние так, чтобы тяга на задних колесах сохранялась.
Маршрут передачи мощностиПланетарный механизм межосевого дифференциала распределяет тягу между передними и задними колесами в соотношении 50:50. Если частоты вращения колес разные, дифференциал частично блокируется вискомуфтой, и автоматически перераспределяет тягу между передними и задними колесами в соответствии с разностью их частот вращения.
При прямолинейном движении с постоянной скоростьюКогда автомобиль движется с постоянной скоростью по ровной дороге, все колеса вращаются практически с одинаковой частотой. Следовательно, отсутствует разность частот вращения между передними и задними колесами, а межосевой дифференциал напрямую передает на валы привода передних и задних колес входную частоту вращения.
Поскольку разности частот вращения между корпусом дифференциала и ведущей шестерней раздаточной коробки отсутствует, вискомуфта не работает, а распределение крутящего момента в соотношении 50:50 остается неизменным.
При повороте на низкой скоростиПри повороте автомобиля, передние и задние колеса вращаются с различными частотами, равно как и левые и правые, при этом передние колеса вращаются быстрее задних. Поскольку скорость автомобиля низкая и разность частот вращения небольшая, межосевой дифференциал поглощает разность и автомобиль поворачивает плавно. Хотя небольшая разность частот вращения и передается в этот момент на вискомуфту, перераспределение крутящего момента относительно невелико.
При ускорении с места на скользком дорожном покрытииКогда автомобиль ускоряется с места на скользком дорожном покрытии и задние колеса пробуксовывают за счет разности в распределении веса между передними и задними колесами, разность частот вращения между корпусом дифференциала и ведущим валом раздаточной коробки становится большой, и вискомуфта начинает перераспределять крутящий момент, передавая соответствующий большой крутящий момент на передние колеса.
При движении по скользкой или неровной дорогеПри движении по скользкой или неровной дороге, если одно колесо начинает пробуксовывать, разность частот вращения между корпусом дифференциала и ведущим валом раздаточной коробки возрастает. Крутящий момент перераспределяется вискомуфтой на те колеса, которые не пробуксовывают, повышая проходимость (на иллюстрации показан пример пробуксовки переднего колеса).
А вот так распределяется скорость и момент по осям на различных типах привода: