Полноприводные автомобили и их классификация

Раздаточная коробка.

Р азда́точная коробка — агрегат для распределения крутящего момента от двигателя на несколько приводных механизмов, которые в большинстве случаев также увеличивают число передач в трансмиссии.

Например, в автомобилях повышенной проходимости раздаточная коробка:

1. распределяет крутящий момент между ведущими мостами таким образом, чтобы обеспечивалась наилучшая проходимость автомобиля без возникновения негативного явления — «циркуляции мощности» в трансмиссии;
2. увеличивает крутящий момент на ведущих колёсах в пределах, необходимых для преодоления сопротивления качению колёс при движении по плохим дорогам и бездорожью, а также на крутых подъёмах (см. демультипликатор);
3. обеспечивает устойчивое движение автомобиля с малой скоростью при работе двигателя в режиме максимального крутящего момента.

Полноценные раздаточные коробки на сегодняшний день являются уделом автомобилей повышенной проходимости («джипов»), а также военной техники. Как передне-, так и полноприводные кроссоверы и легковые автомобили (седаны, купе и т.п.) чаще оснащаются агрегатом, совмещающим в себе свойства коробки передач и раздаточной коробки. Называется этот узел по-английски Transaxle, и внешне довольно легко различим - полуоси и карданный вал (при его наличии) выходят непосредственно из корпуса коробки передач. Понижающий ряд передач в этом случае отсутствует.

По положениям переключения

Раздаточные коробки прежде всего делятся на непереключаемые, где постоянный полный привод является безальтернативным (например Нива), подключаемыми, где тот или иной привод является вспомогательным (например в большинстве паркетников), а также «равноправными», где ведущим может быть любой мост.

По системе управления

Полностью автоматические

Переключение приводов происходит при помощи сервоприводов или гидротрансформатора, решения о переключении принимают электронные системы управления машиной. В просторечии это называется электронной системой полного привода. Огромным плюсом является правильное распределение тягового усилия в разных дорожных и внедорожных ситуациях. Недостатком — зависимость от электроники, электрики и гидравлики, а также утяжеление машины. Наиболее интересными примерами являются раздатки «4-matic», «Quattro» и «X-drive». Электронные раздатки являются актуальными не столько вне, сколько на дороге, особенно если они совмещены с электронными системами распределения тормозного усилия. Например при торможении с большой скорости электронная раздатка способна отключить задний привод, передав на него тормозное усилие, тем временем передний привод продолжает тянуть машину, сохраняя таким образом прямолинейность даже на гололёде. В то же время такая раздатка может отказать например в результате промокания, поэтому она не особо годна для преодоления бродов и тому подобных внедорожных условий.

Полуавтоматические

Полуавтоматические раздатки отличаются тем, что водитель может вмешаться в управление приводами при помощи кнопок на приборной панели. С одной стороны это дает возможность принудительно включить или выключить нужный или ненужный привод, с другой может отвлечь водителя в ненужный момент, что может повлечь ДТП. Наиболее интересными примерами подобных типов раздаток являются Kia Sorento и Mohave, некоторые современные автомобили марки Jeep (Grand Cherokee III, IV, например), Mitsubishi Pajero Wagon (III, IV), Nissan Murano и Pathfinder, также соответствующие модели Infiniti и ряд других машин подобного класса.

Ручные

Органом управления такой раздатки является дополнительный рычаг, расположенный как правило между водительским и пассажирским креслом. Огромным плюсом такой раздатки является практически полная безотказность и независимость от электроники, во внедорожном мире известно немало случаев, когда при залитом салоне можно было спокойно управлять мостами, в то же время недостатком является практически полная невозможность переключения на ходу, а также не всегда удобное расположение переключающего рычага. Носителями таких раздаток является практически всё семейство УАЗов, такие грузовики как Урал и болотные версии КАМАЗов, МАЗов и прочих конкурентов как отечественного, так и зарубежного производства. Также ручную раздатку можно встретить на «Nissan Patrol», автомобилях Jeep (с момента основания и до сих пор на некоторых моделях), «Pajero» первого и второго поколений. Интересно, что у Pajero Wagon третьего поколения в салоне автомобиля в указанном выше месте тоже находится массивный рычаг переключения, однако на деле он является лишь стилизированным джойстиком электронного выбора нужных передач.

Простые

Также именуются «постоянный полный привод», то есть раздатка, в которой нет переключения на передний или задний мост. Огромным плюсом такой раздатки является ее полная безотказность, отсутствие лишних отверстий в кузове для органов управления, то есть меньшая вероятность затопления салона при преодолении брода, явным недостатком такой раздатки является невозможность отключения лишних приводов в нормальных дорожных условиях, что создает лишнюю нагрузку на мотор, увеличивает расход топлива и немного осложняет управление машиной на дороге. Наиболее известные примеры подобных систем это «Toyota Land Cruiser» включая «Prado», «Нива», «Outlander», а также на таких спортивных седанах как например «Subaru Impreza» и «Mitsubishi Lancer Evolution». Спортивные "быстрые" версии SRT-8 автомобилей Jeep Grand Cherokee третьего и четвёртого поколений также оснащены подобного рода раздаточными коробками. Производитель в данном случае логично предположил, что эти машины не предназначены покидать пределы дорог с твёрдым покрытием, и утяжеление и усложнение за счёт добавления понижающего ряда им не нужно, потому оставил лишь полный привод (система On Demand - задний с подключением переда при пробуксовке).

По способу подключения ведущих осей (на примере автомобилей марки Jeep)

• Жёсткое выборочное подключение, есть полный привод для всех типов дорог - Full time. Пользователь самостоятельно выбирает требуемый тип привода и ряд передач - прямой или пониженный. Поэтому такой класс раздаточных коробок получил у автомобилей Jeep собственное название Selec-Trac. Часто такой тип привода оснащается дополнительными передачами, имеющими в себе дополнительные свойства, например, блокировку межосевого дифференциала или включение пониженного ряда передач. Подобный тип привода был массово воплощён в 1987 году на автомобилях Jeep Cherokee путём использования раздаточной коробки New Process Gear model 242. Данная раздаточная коробка имеет систему полного привода Full time - т.е., позволяет перемещаться неограниченно долго как в заднеприводном варианте, так и в полноприводном при выборе соответствующей передачи. Их у этой раздаточной коробки (NPG-242) пять: 2WD (задний привод, для дорог с твёрдым покрытием или грунтовок), 4WD part time (полный привод с заблокированным межосевым дифференциалом, для бездорожья), 4WD full time (полный привод с разблокированным дифференциалом, для дорог с твёрдым покрытием или грунтовок), N (нейтраль, для буксировки или выполнения сервисного обслуживания), 4WD Low (полный привод с заблокированным дифференциалом и включенным пониженным рядом 2.72:1, для тяжёлого бездорожья). У компании Mitsubishi есть схожие раздаточные коробки, и их тип привода называется похожим словом SuperSelect.
• Жёсткое выборочное подключение, полный привод только для бездорожья - Part time. Один из первых типов подключаемого полного привода, получивший большое распространение. На автомобилях Jeep имеет собственное название Command-Trac. Пользователь так же самостоятельно выбирает требуемый тип привода в зависимости от дорожной обстановки, однако ввиду отсутствия в конструкции таких раздаток межосевого дифференциала или выполняющего его функции иной детали (например, вискомуфты) при включении полного привода оси жёстко связаны между собой, и крутящий момент передаётся на перед и зад постоянно в одинаковых пропорциях вне зависимости от поведения автомобиля. Это влечёт за собой то, что угловые скорости осей будут одинаковыми даже в то время, когда они должны быть разными, например, в поворотах. Поэтому, стремясь преодолеть сопротивление трения шин об поверхность, будет интенсивнее изнашиваться вся трансмиссия. Пример такой раздаточной коробки на автомобилях Jeep Cherokee, Wrangler и Grand Cherokee (первое поколение) - New Process model 231. Имеет четыре режима, основной - задний привод для всех типов поверхности. Режимы по порядку: 2WD (задний привод), 4WD Part time (полный привод с заблокированным межосевым дифференциалом, для бездорожья), N (нейтраль, для буксировки или выполнения сервисного обслуживания), 4WD Low (полный привод с заблокированным дифференциалом и включенным пониженным рядом 2.72:1, для тяжёлого бездорожья)
• Постоянный полный привод системы Full-time. Как и в первом пункте, это название лишь указывает на то, что в диапазоне передач есть полный привод, который можно использовать постоянно и на всех типах поверхности. Однако в данном случае упор нужно сделать на том, что привод теперь не отключаемый, т.е. выбора между задним и полным теперь нет. На автомобилях Jeep этот привод получил собственное название Quadra-Trac. Характерный пример - раздаточная коробка New Venture model 249 для Grand Cherokee первого поколения, которая устанавливалась на данный автомобиль с 1993 по начало 1996 года. Пользователь вручную мог выбрать лишь между постоянным полным приводом (4WD full time), нейтралью (N) и полным приводом с заблокированным межосевым дифференциалом с включением понижающего ряда 2.72:1 (4WD Low). Крутящий момент передаётся постоянно на обе оси в процентном соотношении 48:52 между передом и задом соответственно.
• Монопривод с подключением полного в случае проскальзывания ведущей оси - система On Demand («в ожидании»). На полноразмерных внедорожниках Grand Cherokee появился в 1996 году после модернизации раздаточной коробки NV-249 до NV-249OD. Теперь автомобиль стал обладать классическим для американских машин задним приводом с подключением передней оси в случае проскальзывания задней. Этот механизм можно реализовать различными способами. Конкретно на этой раздатке убрали межосевой дифференциал, его роль стала выполнять вискомуфта с полиметилсилоксановым наполнителем повышенной вязкости (силикон вязкостью ок. 60 000 единиц). Карданные валы разных осей приводят во вращение внутреннюю и внешнюю части вискомуфты. При постоянной скорости движения машины угловые скорости карданных валов так же одинаковы, соответственно, нет и разницы в скоростях вращения частей вискомуфты. Но как только задний кардан начинает вращаться быстрее по причине проскальзывания задних колёс, то возникает разница угловых скоростей карданов, и соответственно - внешней и внутренней частей вискомуфты. Силиконовая жидкость внутри вискомуфты работает по принципу варёного яйца - т.е. при нагревании не разжижается, а наоборот спекается, и схватывает воедино внешнюю и внутреннюю часть муфты. Таким образом подхватывает вращение и передний кардан, автомобиль становится полноприводным, пока снова скорости карданов не уравняются, силикон не остынет и не станет опять жидким. По схожему принципу работают многие другие современные системы автоматически подключаемого через вискомуфту полного привода. В 1999 году, с выходом второго поколения Grand Cherokee, началось использование раздаточной коробки NV-247, тоже системы On Demand. Отличие от предшественницы заключалось в том, что теперь вместо вискомуфты карданные валы приводили в движение разные части героторной муфты, которая при возникновении разницы скоростей на осях начинала работать как насос, и накачивала масло, наполняющее раздаточную коробку, внутрь себя. С началом блокировки этой муфты начинал вращаться и передний карданный вал.

 

Рулевое управление

-служит для изменения или поддержания выборного направления движения автомобиля и для осуществления маневрирования. В общем случае рулевое управление состоит:

1) рулевого колеса с рулевой колонкой

2) рулевого механизма

3) рулевого привода

4)усилителя(он может отсутствовать)

Требования к рулевому управлению:

-обеспечение высокой маневренности автомобиля(возможность выполнения быстрых и крутых поворотах на ограниченных площадях)

-легкость управления(малая величина усилия на рулевом колесе)

- правильная кинематика поворота

-умеренное ощущение толчков на рулевом колесе

-точность следящего действия(каждому положению рулевого колеса соответствует определенная крутизна поворота)

- отсутствие в рулевом управление больших люфтов

Изменение направления движения может осуществляться 4 способами:

1) Поворотом управляемых колес(колес передней оси, нескольких осей, всех осей)

2) Поворотом управляемых осей или тележек

3) Складыванием звеньев

4) Бортовым способом

5) Наибольшее распространение получил 1 способ

Классификация рулевых управлений:

1. По расположению рулевого управления

- правая

-левая

2. по конструкции рулевого механизма

- червячные(с сектором или роликом)

-кривошипно-винтовые

-реечные

-комбинированные

3. по конструкции рулевого привода

-привод к управляемым колесам

-привод к управляемым осям или тележкам

-привод к складывающимся звеньям

4. по принципу действия усилителя

-гидравлический усилитель

-электрический

-пневматический

-комбинированные

Устройство системы рулевого управления

Схема рулевого управления

Конструктивно система рулевого управления состоит из следующих элементов:

• Рулевое колесо (руль) — предназначено для управления водителем с целью указания направления движения автомобиля. В современных моделях оно дополнительно оснащается кнопками управления мультимедийной системой. Также в рулевое колесо встраивается передняя подушка безопасности водителя.
• Рулевая колонка — выполняет передачу усилия от руля к рулевому механизму. Она представляет собой вал с шарнирными соединениями. Для обеспечения безопасности и защиты от угона колонка может быть оснащена электрическими или механическими системами складывания и блокировки. Дополнительно на рулевой колонке устанавливается замок зажигания, органы управления светотехникой и стеклоочистителем ветрового стекла автомобиля.
• Рулевой механизм — выполняет преобразование усилия, создаваемого водителем через поворот рулевого колеса и передает его приводу колес. Конструктивно представляет собой редуктор с некоторым передаточным отношением. Сам механизм соединяет с рулевой колонкой карданный вал рулевого управления.
• Рулевой привод — состоит из рулевых тяг, наконечников и рычагов, выполняющих передачу усилия от рулевого механизма к поворотным кулакам ведущих колес.
• Усилитель рулевого управления — повышает усилие, которое передается от руля к приводу.
• Дополнительные элементы (амортизатор рулевого управления или «демпфер», электронные системы).

 

Рулевой механизм

-являются по существу редуктором, обеспечивающим увеличение крутящего момента на валу сошки

Сошка- это выходной рычаг рулевого механизма, служащий для передачи управляющего усилия на рулевой привод

Величина необходимого усилия на рулевые колеса зависит от передаточного числа рулевого механизма. Чем больше число, тем меньше усилие

Однако с ростом передаточного числа, растет необходимый угол рулевого колеса.

 Имеется рекомендуемое число оборотом рулевого колеса, для отклонения рулевого колеса на максимальный угол. Отклоняемый угол находится от 20-45 градусов. Поворот рулевого колеса от 1 до 2.

Наибольшее распространение на легковых автомобилей получили реечные рулевые механизмы реечные рулевые механизмы. Состоит из шестерни, установленные на валу рулевого колеса и связаны с нею зубчатою рейкой. При вращение рулевого колеса рейка перемещается вправо или влево и через присоединенные к ней тяги рулевого привода поворачивает управляемые колеса

Преимущества реечного рулевого механизма:

-простота конструкции

-малая масса

-малая стоимость изготовления

-высокий кпд

-небольшое число тяг и шарниров

-расположение поперек автомобиля компактно

Недостатки:

1. Повышенная чувствительность к неровностям и передачи на рулевую колонку

2. Повышенная нагруженность деталей

Реечный рулевой механизм

Реечный рулевой механизм - является самым распространенным типом механизма, устанавливаемым на легковые автомобили. Основными элементами рулевого механизма являются шестерня и рулевая рейка. Шестерня устанавливается на валу рулевого колеса и находится в постоянном зацеплении с рулевой (зубчатой) рейкой.
Схема реечного рулевого механизма

1 – подшипник скольжения; 2 – манжеты высокого давления; 3 – корпус золотников; 4 – насос; 5 – компенсационный бачок; 6 – рулевая тяга; 7 – рулевой вал; 8 – рейка; 9 – компрессионный уплотнитель; 10 – защитный чехол.
Работа реечного рулевого механизма происходит следующим образом. При вращении рулевого колеса рейка перемещается влево или вправо. Во время движения рейки перемещаются присоединенные к ней тяги рулевого привода и совершают поворот управляемых колес.

Реечный рулевой механизм отличается простотой конструкции и как следствие, высоким КПД, а также имеет высокую жесткость. Но такой тип рулевого механизма чувствителен к ударным нагрузкам от неровностей дороги, склонен к вибрациям. По причине своих конструктивных особенностей реечный рулевой механизм применяется на переднеприводных автомобилях с независимой подвеской управляемых колес.

Червячный рулевой механизм

Конструкция червячного рулевого механизма состоит из глобоидного червяка (червяка с переменным диаметром), соединенного с рулевым валом, и ролика. На валу ролика на внешней части корпуса рулевого механизма установлен рычаг (сошка), соединенный с тягами рулевого привода.
Схема червячного рулевого механизма

1 – пластина регулировочного винта вала сошки; 2 – регулировочный винт вала сошки; 3 – гайка регулировочного винта; 4 – пробка маслозаливного отверстия; 5 – крышка картера рулевого механизма; 6 – червяк; 7 – картер рулевого механизма; 8 – сошка; 9 – гайка крепления сошки к валу; 10 – шайба пружинная; 11 – сальник вала сошки; 12 – втулка вала сошки; 13 – вал сошки; 14 – ролик вала сошки; 15 – вал червяка; 16 – верхний шарикоподшипник; 17 – нижний шарикоподшипник; 18 – регулировочные прокладки; 19 – нижняя крышка подшипника червяка; 20 – ось ролика; 21 – шариковый подшипник ролика; 22 – сальник вала червяка.

Вращение рулевого колеса обеспечивает обкатывание ролика по червяку, вызывая качание сошки и перемещение тяг рулевого привода, что приводит к повороту управляемых колес.

Червячный рулевой механизм имеет меньшую чувствительность к ударным нагрузкам, обеспечивает большие углы поворота управляемых колес и как следствие лучшую маневренность автомобиля. При этом червячный механизм сложен в изготовлении и имеет высокую стоимость изготовления. Рулевое управление с таким типом механизма имеет большое количество соединений, поэтому требует затратного ремонта.

Червячный рулевой механизм используется на легковых автомобилях повышенной проходимости с зависимой подвеской управляемых колес, грузовых автомобилях малой тоннажности и автобусах. Ранее такой тип рулевого механизма устанавливался на отечественных заднеприводных автомобилях.

Винтовой рулевой механизм

Винтовой рулевой механизм включает в себя следующие конструктивные элементы: винт на валу рулевого колеса; гайку, перемещаемую по винту; нарезанную на гайке зубчатую рейку; зубчатый сектор, соединенный с рейкой; рулевую сошку, расположенную на валу сектора.
Схема винтового рулевого механизма

1 – картер рулевого управления; 2 – вал-сектор; 3 – гайка-рейка; 4 – шарики; 5 – стопорное кольцо; 6,9 – защитные крышки; 7 – карданный шарнир; 8 – втулка;10 – манжета; 11 – подшипники винта; 12 – регулировочные прокладки; 13 – винт; 14 – сошка; 15 – крышка нижняя картера; 16 – уплотнительное кольцо.
Отличительной чертой устройства винтового рулевого механизма является соединение винта и гайки с помощью шариков, чем достигается меньшее трение и износ рабочей пары.

Принцип работы винтового рулевого механизма похож на работу червячного механизма. Поворот рулевого колеса приводит к вращению винта, который в свою очередь перемещает надетую на него гайку. При этом происходит вращение шариков. Гайка посредством зубчатой рейки перемещает зубчатый сектор, а вместе с ним и рулевую сошку.

Винтовой рулевой механизм по сравнению с червячным механизмом имеет более высокий КПД и реализует большие усилия. Такой тип рулевого механизма нашел применение на некоторых легковых автомобилях представительского класса, тяжелых грузовых автомобилях и автобусах.

Рулевой привод

Рулевой привод -это система тяг и рычагов, соединенных шаровыми шарнирами. Шаровой шарнир состоит их корпуса, вкладышей шарового пальца и защитного чехла. Рулевой привод служит для передачи усилия от рулевого механизма к управляемым колесам и для обеспечения правильного поворота колес

Рулевой привод обеспечивает поворот колес на разные углы и тем самым — их качение без проскальзывания по концентрическим окружностям с общим центром, являющимся центром поворота автомобиля.

Движение автомобиля не сопровождается боковым скольжением его колес, если траектории качения всех колес имеют единый центр поворота.

Рулевой привод автомобиля состоит из рулевых рычагов и рулевых тяг, образующих рулевую трапецию, которая и обеспечивает одновременный поворот управляемых колес на неодинаковые углы.

Правильное соотношение углов поворота управляемых колес устанавливается при повороте автомобиля за счет разных длин рычагов, входящих в рулевую трапецию.

Различают цельную (единую) трапецию, применяемую при наличии зависимой подвески управляемых колес, и расчлененную, используемую в сочетании независимой подвеской. В первом случае левое и правое управляемые колеса 3 связаны жесткой балкой 7 управляемого моста. Сошка 11 шарнирно соединена с продольной тягой 10, жестко связанной с левым поворотным кулаком, рычаг 9 которого, в свою очередь, шарнирно соединен с поперечной тягой 8. Во втором случае сошка 5 шарнирно связана с левым концом средней поперечной тяги б. Правый конец тяги также шарнирно соединен с маятниковым рычагом 7, имеющим опору на раме (кузове) автомобиля и в точности имитирующим перемещение сошки в процессе поворота. Тяга 6 шарнирно связана с боковыми тягами 4, соединенными посредством поворотных рычагов 1 трапеции с поворотными кулаками, на оси которых установлены управляемые колеса.

Рис. Рулевой привод с цельной трапецией:
1 — рулевая колонка; 2 — рулевой вал; 3 — управляемые колеса; 4,9 — рычаги левого поворотного кулака; 5 — правый поворотный кулак; 6 — рычаг правого поворотного кулака; 7 — балка управляемого моста; 8 — поперечная рулевая тяга; 10 — продольная тяга; 11 — сошка; 12 — червячный механизм; 13 — рулевое колесо; стрелками показано направление движения элементов рулевого управления

Рис. Расчлененная трапеция:
1 — поворотные рычага; 2 — наконечник; 3 — регулировочные втулки; 4 — боковые тяги; 5 — сошка; 6 — средняя поперечная тяга; 7 — маятниковый рычаг; 8 — стяжные болты; 9 — хомутик втулки; 10 — шаровой палец; 11 — вкладыш; 12 — пресс-масленка; 13 — заглушка; 14 — пружина; 15 — опорная пята; 16 — уплотнитель

В процессе эксплуатации автомобиля на детали рулевой трапеции (сошка, тяги) действуют значительные нагрузки, вызывающие износ этих деталей. Поэтому шарнирные соединения деталей трапеции обычно выполняют шаровыми и саморегулирующимися. Саморегулирование заключается в автоматическом устранении зазоров, возникающих по мере изнашивания деталей. Излишние зазоры в приводе вызывают увеличение свободного хода рулевого колеса.