Системы полного привода - краткая теория
- Системы полного привода - краткая теория
- Screenshot_1.jpg (210.74 КБ) 117 просмотров
Преимущество системы полного привода
- Общая схема полного привода автомобиля
- Screenshot_2.jpg (167.75 КБ) 115 просмотров
Основная причина использования системы полного привода — улучшение общего тягового усилия автомобиля.
Для более простого понимания определим силу тяги как максимальную движущую силу, которую шины могут приложить к дороге. Основное преимущество полного привода — потенциальное удвоение продольной силы, которую шины могут приложить к дороге. Это помогает в различных ситуациях, таких как движение по дороге с низким коэффициентом трения (например по дороге, покрытой снегом). На рисунке справа показан пример дороги с частично скользким покрытием. В случае с автомобилем с приводом на два колеса крутящий момент, требуемый для движения автомобиля, больше имеющейся силы тяги. В результате колеса начинают пробуксовывать и автомобиль застревает. Полноприводной автомобиль в том же месте передаст больше крутящего момента на задние колеса, где дорога не скользкая, таким образом, крутящий момент на передних и задних колесах будет ниже силы тяги: автомобиль будет двигаться вперед. (Упрощенный общий пример: точное условие передачи крутящего момента зависит от конструкции конкретной системы.) В целом на силу тяги действуют следующие факторы: нагрузка на шину — чем больше нагрузка на шину, тем выше сила тяги.
Коэффициент трения — это отношение величины силы трения между двумя поверхностями к силе, удерживающей эти поверхности вместе: это зависимость типа шин, установленных на автомобиле, от типа поверхности, по которой движется этот автомобиль. Важно: коэффициент трения у неподвижного колеса выше, чем у вращающегося (буксующего колеса), вследствие чего сила тяги выше при неподвижном, чем при вращающемся колесе. Пробуксовка колеса происходит, когда сила, приложенная к шине, превосходит силу тяги этой шины. В этом случае, как было указано выше, сила тяги снижается. Перераспределение массы при разгоне автомобиля или прохождении поворотов влияет на силу сцепления шины, поскольку нагрузка на шины изменяется.
FN = весовая нагрузка на шину, FR = максимальная сила тяги, FA = движущая сила, MR = крутящий момент на шине.
Перераспределение массы и конструкция систем полного привода
- Схема перераспределения массы автомобиля с полным приводом.
- Screenshot_3.jpg (158.73 КБ) 114 просмотров
Перераспределение массы изменяет силу тяги колес, поскольку за счет этого уменьшается или увеличивается нагрузка на шинах. Перераспределение массы происходит в продольном направлении при замедлении и разгоне и в поперечном направлении — при прохождении поворотов. Когда автомобиль проходит поворот на большой скорости, масса автомобиля перераспределяется с внутреннего колеса на наружное. При разгоне масса переносится на задние колеса. Скорость изменения пропорциональна высоте центра тяжести, поперечному ускорению (выраженному ускорением силы тяжести) и обратно пропорциональна ширине колеи.
Перераспределение массы = (поперечное ускорение масса высота центра тяжести) / ширина колеи. Например, автомобиль проходит поворот при 0,85 g. Предположив, что ширина колеи равняется 1600 мм, высота центра тяжести — 500 мм, а масса автомобиля — 1250 кг, можно рассчитать перераспределение массы, и получится значение 332 кг. Для автомобиля (с шириной колеи 1600 мм, высотой центра тяжести 500 мм, массой 1250 кг), который кренится на 10 градусов при прохождении поворота, d будет равно 500 sin10° = 86,8 мм. Тогда нагрузку на наружные шины можно рассчитать так: масса [(ширина ко-леи/2) + наклон в градусах при прохождении поворота] / ширина колеи (1250 (800 + 86,8)) / 1600 = 693 кг. Поскольку на внутреннюю шину приходится 557 кг (1250 кг – 693 кг), перераспределение массы равно 68 кг. Величина перераспределения массы зависит не только от массы автомобиля или ускорения силы тяжести, но и от общей конструкции автомобиля, в частности, от конструкции силовой передачи и т. п. На данном рисунке показаны некоторые типичные конструкции полного привода автомобилей Hyundai. Как указано ниже, существуют и другие типы полного привода.
Различные типы и конструкции систем полного привода
- Схема вариантов полного привода автомобилей.
- Screenshot_4.jpg (113.57 КБ) 107 просмотров
Ниже приведены наиболее распространенные конструкции систем полного привода. При-чина разнообразия систем — различное использование автомобилей и, конечно, стоимость автомобиля, поскольку сложные системы постоянного полного привода намного дороже простой системы или привода на два колеса. Другие различия конструкции могут зависеть от того, например, имеет автомобиль привод на передние или задние колеса. Кроме того, следует учитывать тип автомобиля и его возможное использование, например спортивный легковой автомобиль или пикап, используемый для работы в тяжелых условиях, и т. д. Автомобили, предназначенные для тяжелых условий эксплуатации, обычно имеют пониженную передачу для увеличения, при необходимости, крутящего момента. При меньшей цене недостатком системы подключаемого полного привода является то, что автомобиль с такой системой не рекомендуется использовать на дороге с хорошим коэффициентом трения при включенном режиме полного привода. Поскольку в этой системе отсутствует межосевой дифференциал, вся трансмиссия подвергается нагрузке, что приводит к износу и шуму. В системах полного привода с жестким подключением обычно применяется межосевой дифференциал (или в редких случаях вязкостная муфта), и благодаря этому режим полного привода может использоваться на сухой дороге без каких-либо проблем. То же самое относится к полному приводу с постоянным распределением крутящего момента на все колеса и неотключаемому полному приводу. Разница в том, что полный привод нельзя отключить. В системах полного привода с постоянным распределением крутящего момента на все колеса в раздаточной коробке нет нижней или прямой передачи, поскольку такие автомобили предназначены только для использования на дорогах с твердым покрытием. Обратите внимание на то, что приведенные выше системы, могут называться по-другому, например в зависимости от изготовителя. Недавно была разработана система с электронным управлением, которая включает полный привод автоматически и только в том случае, когда это необходимо. Примером такой системы является система ITM модели Sportage или модель Sorento, оснащенная системой TOD.
Поведение автомобиля в крутом повороте и склонность к блокировке тормозов
- Схема поведения автомобиля при крутом повороте.
- Screenshot_5.jpg (188.03 КБ) 106 просмотров
Автомобили, не оснащенные межосевым дифференциалом, а только передним или задним дифференциалами следует использовать в режиме полного привода только при определенных условиях, например на скользкой дороге. Поэтому такая система называется системой подключаемого полного привода. Езда на таком автомобиле по сухой дороге с хорошим покрытием приведет к повышенной нагрузке на шины и трансмиссию, что можно легко проследить при прохождении поворотов, поскольку водитель заметит скручивание рамы и высокое сопротивление качению. Это вызвано тем, что задние колеса и передние колеса проходят разное расстояние при повороте, как показано на рисунке. Единственный способ компенсации этого при отсутствии межосевого дифференциала — проскальзывание шины (незначительное). Вследствие высокого коэффициента трения на сухой дороге требуется большое усилие для начала скольжения шины, что приводит к нагрузке на трансмиссию. По схожей причине на некоторых полноприводных автомобилях устанавливается датчик ускорения. Поскольку передние и задние колеса соединены механически и влияют друг на друга, склонность к блокировке отдельного колеса снижается, но склонность к одновременной блокировке всех колес вместе увеличивается по сравнению с обычным автомобилем. Это наиболее вероятно произойдет при двух различных условиях: при очень резком торможении при обычных дорожных условиях или при относительно небольшой силе торможения на скользкой дороге, что приводит к различному замедлению автомобиля. Замедление измеряется датчиком ускорения, чтобы блок управления смог правильно выбрать стратегию торможения для конкретной ситуации, т. е. датчик ускорения служит для улучшения управления системой ABS и не используется непосредственно в системе полного привода. Соответствующую информацию см. в разделе по системе ABS.
Механизмы блокировки дифференциала
- Схемы блокировок дифференциалов.
- Screenshot_6.jpg (284.92 КБ) 104 просмотра
Простая обычная система полного привода со стандартным (открытого типа) дифференциалом может сравнительно легко потерять силу тяги при определенных условиях. Это показано на примере справа. Дифференциал открытого типа может направить только то количество крутящего момента шинам, которое не вызовет пробуксовку шины с наименьшей силой тяги. Поэтому передаваемого крутящего момента может оказаться недостаточно, чтобы высвободить увязший автомобиль, если обе оси находятся на скользкой поверхности (как показано на рисунке), поскольку шины начнут буксовать. В данной ситуации оба задних колеса вращаются, но автомобиль не движется. Поскольку это нежелательно при эксплуатации во внедорожных условиях, существует несколько способов улучшения такой системы. Чаще всего обычный(ые) дифференциал(ы) заменяется самоблокирующимся дифференциалом(ами) повышенного трения. При этом решении колеса, находящиеся на лучшем покрытии, смогут передать крутящий момент независимо от того, что происходит с другими (буксующими) шинами. Механизмы блокировки можно разделить на два типа: частично блокирующие механизмы, обычно называемые самоблокирующимися дифференциалами повышенного трения, и полностью блокирующие механизмы: механизмы блокировки дифференциала. Самоблокирующийся дифференциал повышенного трения выполняет дополнительную функцию по сравнению с обычными дифференциалами, т. е. передает большую движущую силу на колесо с лучшей тягой, когда одно из колес начинает буксовать. Существуют различные конструкции этой системы, как показано на рисунке.
Например, самоблокирующиеся дифференциалы повышенного трения типа Eaton с фрикционными дисками с предварительным натягом или вискомуфта. Самоблокирующиеся дифференциалы повышенного трения можно разделить на типы с датчиком крутящего момента и с датчиком скорости. Подробную информацию см. в разделе по механическим коробкам передач. Другое решение — полностью блокирующийся дифференциал. Дифференциал данного типа помимо деталей, общих с дифференциалом открытого типа, имеет механический, электрический, пневматический или гидравлический механизм блокировки полуосевых шестерен. Механизм обычно приводится в действие вручную, при его включении оба колеса вращаются с одинаковой скоростью. Поэтому даже если одно колесо оторвано от грунта, другое сможет передавать крутящий момент на поверхность. Колесо, находящееся на грунте, начнет вращать оба колеса с одинаковой скоростью и будет получена некоторая сила тяги (которой, возможно, будет недостаточно для приведения автомобиля в движение). Полностью блокирующиеся дифференциалы полезны на автомобилях для серьезного бездорожья. Примечание: недавно появились системы, в которых используется тормозная система для получения силы тяги в таких случаях: буксующее(ие) коле-со(а) подтормаживается, и крутящий момент передается на другое(ие) колесо(а).
Вязкостная муфта
- Схема внутренностей вязкостной муфты.
- Screenshot_7.jpg (260.8 КБ) 101 просмотр
Рассмотрим более подробно принцип работы вязкостной муфты. Вязкостную муфту можно часто встретить в полноприводных автомобилях. Обычно она используется для связи зад-них колес с передними, чтобы при буксовании одной пары колес крутящий момент передавался на другую пару. Поэтому в качестве примера рассмотрим виско-муфту между перед-ним и задним мостами. В виско-муфте есть два набора дисков в герметичном корпусе, наполненном густой жидкостью (силиконовым маслом). Один набор дисков соединен с передним выходным валом, другой — с задним выходным валом. При нормальных условиях движения оба набора дисков и вязкая жидкость вращаются вместе с одинаковой скоростью, поскольку в мостах нет разницы в скорости.
Когда одна пара колес начинает вращаться быстрее, например при буксовании, набор дисков, соединенных с этой парой, также вращается быстрее других. Вязкая жидкость между дисками пытается догнать диски с более высокой скоростью вращения, увлекая за собой диски с меньшей скоростью вращения. Крутящий момент передается тем колесам, которые вращаются медленнее, т. е. колесам, которые не буксуют. Чем выше угловая скорость дисков относительно друг друга, тем больший крутящий момент вискомуфта передает от одного набора к другому. Когда автомобиль поворачивает, разница в скорости вращения колес несущественна. Поэтому муфта не мешает их повороту, поскольку величина передаваемого крутящего момента невелика. Однако в этом заключается недостаток вискомуфты: крутящий момент не будет передаваться до тех пор, пока колесо не начнет буксовать с определенной скоростью. Это называется чувствительностью к скорости. Поскольку вискомуфта чувствительна к скорости, а не к крутящему моменту, она может не помочь, если автомобиль застрял и колесо вращается медленно, но со сравнительно высоким крутящим моментом (например на бездорожье, в густой грязи). Особый эффект можно наблюдать при высокой нагрузке на виско-муфту из-за постоянного вращения одной оси (колеса). Если виско-муфта буксует определенное время, то она начинает нагреваться. Внутреннее давление поднимается, и диски входят в непосредственный контакт друг с другом. При этом коэффициент трения возрастает, это вызывает увеличение передаваемого крутящего момента, что может помочь освободить застрявший автомобиль. Это называется эффектом «вершины кривой».
Буксировка полноприводных автомобилей
- Схема показывающая как буксировать полноприводные автомобили.
- Screenshot_8.jpg (272.02 КБ) 100 просмотров
Полноприводной автомобиль не следует буксировать, подняв только два колеса, из-за высокой вероятности несчастного случая или повреждения. То же самое относится к осмотру автомобиля при поднятии только двух колес на подъемнике или гаражным домкратом. Для испытания на стенде с беговыми барабанами следует использовать только стенд для четырех колес. Поскольку автомобиль может прийти в движение, такие испытания должны проводиться только квалифицированным персоналом. Обязательно ознакомьтесь с мерами предосторожности, приведенными в Руководстве по ремонту.
Обзор электронной системы управления крутящим моментом (ITM)
- Схема электронной системы управления крутящего момента автомобиля.
- Screenshot_9.jpg (258.55 КБ) 98 просмотров
Система выполнена на базе переднего привода и состоит из следующих основных эле-ментов: раздаточная коробка, карданный вал, муфта ITM с электронным управлением и задний дифференциал (механические элементы), блок управления, выключатель блокировки полного привода, датчик положения дроссельной заслонки, датчики скорости вращения колес, датчик угла поворота рулевого колеса, контрольная лампа блокировки полного привода и контрольная лампа неисправности (электрические элементы). При включении блокировки дифференциала (возможно только до определенной скорости) муфта полностью включается, и автомобиль переходит в режим полного привода (с передачей крутящего момента между осями в соотношении 50:50), при этом загорается контрольная лампа блокировки полного привода. Поскольку в данной системе нет межосевого дифференциала, то в этом случае при прохождении крутых поворотов будет возникать эффект скручивания. В обычном режиме (блокировка отключена) распределение крутящего момента между осями осуществляется на основе сигналов датчика положения дроссельной заслонки, датчиков скорости вращения колеса и датчика угла поворота рулевого колеса. Поскольку полный привод включается только при необходимости (в основном, при обнаружении пробуксовки колеса), расход топлива снижается по сравнению с обычным полноприводным автомобилем. О неисправности в системе водителя информирует контрольная лампа неисправности.
Устройство раздаточной коробки
- Схемы устройства раздаточной коробки в составе автомобиля.
- Screenshot_10.jpg (235.86 КБ) 95 просмотров
Раздаточная коробка модели KM состоит из входного вала, соединенного сальниками с выходным валом переднего дифференциала, и блока шестерен для передачи крутящего момента на карданный вал. Входной вал полый для того, чтобы вал привода правого переднего колеса мог проходить сквозь него и соединяться с передним дифференциалом. Зубчатая передача служит для изменения скорости вращения входного вала до скорости, требуемой на задней оси, и изменения направления выхода крутящего момента к кардан-ному валу. Зубчатая передача состоит из двух обычных шестерен, коронной шестерни и конической шестерни. При включенной муфте ITM мощность передается через зубчатую передачу, карданный вал, включенную муфту ITM на задний дифференциал и на задние колеса. Если муфта ITM не включена, шестерни в раздаточной коробке и карданный вал свободно вращаются, и приводятся в движение только передние колеса.