О переднем приводе
Трехколесная паровая телега, которую француз Н. Кюньо испытывал в июле 1770 года, имела переднее ведущее колесо! Патент, выданный в 1879 году американцу Д. Селдену на компоновку самодвижущегося экипажа, опять же предусматривал привод на передние колеса.
Сегодня переднеприводные (как их для краткости стали называть) автомобили получили широкое признание. Достаточно сказать, что на их долю приходится почти четверть годового производства легковых машин в мире. В чем заключаются достоинства такой компоновочной схемы и почему именно она за последние годы вызвала обостренный интерес у конструкторов?
Сравним два современных легковых автомобиля с одинаковыми размерами пассажирского помещения и багажника, равными рабочим объемом и мощностью двигателя, а также одинаковыми показателями прочности и долговечности кузова. Переднеприводная модель на 8-10% легче выполненной по классической компоновочной схеме (двигатель - впереди, ведущие колеса - задние). Она имеет меньшие габариты (в частности, длину) и меньшую на 80-90 кг металлоемкость, что при массовом производстве дает весьма ощутимую экономию металла.
Конструкция переднеприводного автомобиля кажется несколько сложнее, чем машины классической компоновки, и может иметь несколько более высокие трудоемкость и себестоимость. Однако это окупается рядом таких преимуществ, которые на данном этапе развития автомобильной техники имеют первостепенное значение. Среди них - отсутствие тоннеля для карданного вала и возможность сделать пассажирский салон более удобным, с ровным полом. При передних ведущих колесах несложно понизить подушку заднего сиденья (на днище кузова нет выступа над картером главной передачи) и опустить крышу. Наконец, на переднеприводном автомобиле можно получить наивыгоднейшие характеристики управляемости, обеспечить более высокую безопасность при движении с высокой скоростью на поворотах и скользкой дороге, а также - при определенном сочетании параметров - добиться более высокой, чем у моделей других компоновочных схем, проходимости. Все названные особенности в комплексе и предопределили поворот многих автомобильных заводов, выпускающих легковые модели особо малого, малого, а теперь и среднего классов, к этой концепции.
Заметная перемена ориентации на прогрессивную компоновочную схему началась лет двадцать назад. Одна за другой ей отдавали предпочтение многие известные фирмы: "Пежо" и "Рено" (Франция), "Бритиш Лейланд" (Англия), ФИАТ (Италия), "Фольксваген", "Ауди", "Опель" (ФРГ), "Тойота", "Ниссан" и "Хонда" (Япония) и другие. Но почему этот поворот не произошел раньше? Ведь еще в тридцатые годы выпускались переднеприводные "Ситроен" (Франция), "Адлер" и ДКВ (Германия), "Корд" (США), "Аэро" (Чехословакия). Потому что тогда не было компактных и, главное, надежных и долговечных карданных шарниров равных угловых скоростей. Без таких шарниров трудно создать совершенный легковой автомобиль с передними ведущими и управляемыми колесами.
Обычный карданный шарнир при отклонениях его ведущего и ведомого звеньев создает неравномерную по угловой скорости передачу вращения на ведомое звено. В результате - перегрузка передачи, быстрый износ и даже разрушение ее деталей. Избавиться от такого явления можно, установив у ведущего колеса либо сдвоенный карданный, либо шарнир равных угловых скоростей. Ранние их конструкции имели недостаточно надежную защиту от грязи и влаги, были громоздки, недолговечны (срок службы редко превышал 20 тысяч километров) и дороги в производстве.
Перед второй мировой войной возрос интерес к автомобилям повышенной проходимости со всеми ведущими колесами. Интенсивная работа ряда фирм в этом направлении привела к созданию достаточно совершенных шарниров равных угловых скоростей (см. вкладку) - шарикового ("Бендикс-вейсс", "Рцеппа", "Бирфильд", "Три-под") и кулачкового ("Тракта") типа. Лучшие из этих конструкций, с годами усовершенствованные и упрощенные, применяются и поныне. Они компактны, прочны, надежны, а их срок службы превышает 100 тысяч километров.
Когда одна из главных проблем переднеприводного автомобиля была решена, встала задача найти такую конструкцию машины в целом, при которой преимущества этой компоновки дали бы ей перевес над классической.
Предвоенные модели с передними ведущими колесами обладали серьезным недостатком - из-за малой массы, приходившейся на передние ведущие колеса (около 40%), они часто буксовали на подъемах и скользкой дороге. Принятая тогда схема компоновки силового агрегата - двигатель установлен внутри базы вдоль машины, позади трансмиссии (коробки передач с главной передачей) и передних ведущих колес - не позволяла распределить массу автомобиля более равномерно.
Вынос двигателя вперед, за пределы базы, обеспечил достаточную загрузку ведущих колес и, как следствие, хорошую проходимость. Исследования показали: если на ведущие колеса приходится 53-57% полной массы, переднеприводная машина преодолевает подъемы, снежную целину, песок и грязь лучше, чем автомобили с классической компоновкой, а порой даже лучше, чем заднемоторные модели.
Другим важным направлением, по которому шло совершенствование автомобилей с передними ведущими колесами, стало улучшение их управляемости. Комбинируя различные конструкции подвески колес, рулевого управления, их геометрические параметры, сочетания этих параметров с нагрузкой на колеса, удалось найти наивыгоднейшие (оптимальные) решения. В частности, избавиться от "врожденной" недостаточной поворачиваемости или значительно уменьшить ее. Сегодня переднеприводные автомобили наиболее безопасны при движении с высокими скоростями и по скользким дорогам.
В конце пятидесятых и начале шестидесятых годов сложились такие технико-экономические и социальные требования к массовой легковой модели, что классическая и заднемоторная компоновки стали отходить на второй план и в центре внимания оказались схемы с передними ведущими колесами.
Первоначально переднеприводная схема завоевала особо малый класс (о классификации легковых машин см. "За рулем", 1974, № 11), затем малый (80% моделей), а теперь уже получает признание на автомобилях среднего и большого классов. Дольше всех сопротивлялись фирмы США. Они стремились как можно дальше отодвинуть сроки перевооружения своих предприятий массового производства на принципиально новые модели, требующие больших капиталовложений. Но успех на американском рынке европейских и японских машин с передними ведущими колесами вынудил "Дженерал Моторс", "Форд" и "Крайслер" с 1980 года изменить свою позицию.
Читатель вправе задать вопрос: вытеснит ли переднеприводная компоновка классическую? Нет, для последней останется ряд областей применения. В первую очередь, модели высшего класса, где вопросы снижения массы и габарита не имеют первостепенной важности, джипы и легковые автомобили для тяжелых дорожных условий.
Каковы современные направления развития переднеприводных автомобилей? Прежде всего, по компоновочным особенностям в них выделились две группы, обладающие своими достоинствами и недостатками.
Расположение силового агрегата поперек машины (см. вкладку), как сделано на "Остин-мини", "Мини-метро", "Форд-фиеста", "Ситроен-ЦИкс" и перспективных моделях ВАЗ и ЗАЗ (о подготовке к их производству уже сообщалось в прессе), позволяет максимально использовать возможности схемы с передними ведущими колесами. В результате удается, по сравнению с моделями классической компоновки, сократить на 10-12% массу и на 8- 10% габаритную длину. Однако поперек моторного отсека трудно разместить двигатели большого рабочего объема и значительной длины.
При двигателе, установленном поперек машины, коробку передач можно поместить под ним, соединив набором цилиндрических шестерен (серийные "Мини-метро", "Рено-14", "Пежо-304", опытный НАМИ-1101). Силовой агрегат становится короче, а увеличение его высоты компенсируется наклоном двигателя. Еще одно преимущество - возможность применения полуосей одинаковой длины, что не только упрощает снабжение запасными частями, но и позволяет увеличить вертикальный ход колес благодаря равенству длин и углов обеих полуосей. Немаловажное достоинство такого варианта - отсутствие в главной передаче конических шестерен, поэтому проще и дешевле изготовление, не нужны сложные зуборезные станки и трудоемкие регулировки контакта зацепления. Цилиндрические шестерни не требуют специальной (гипоидной) смазки, а значит, в двигателе и трансмиссии может применяться одна и та же марка масла, что позволяет иметь для них общий (без разделительных сальников и уплотнений) масляный картер. Однако существенный недостаток данной конструкции - неудобный доступ к элементам трансмис-' сии при их обслуживании и ремонте, а также необходимость иметь дополнительный набор шестерен.
Поэтому большинство фирм применяют двигатель и коробку передач, расположенные в линию: "Ситроен-ЦИкс". "Фольксваген-гольф", " Форд-фиеста ", "Опель-кадет". Этим облегчается обслуживание машины, но полуоси в таком варианте получаются разной длины, и ход колес определяется предельным углом шарнира равных угловых скоростей на короткой полуоси, из-за чего не всегда удается обеспечить нужную величину хода и подвеска получается менее комфортабельной.
При продольном расположении силового агрегата (серийные - "Ауди-100", "Ситроен-ЖС", "Рено-12") преимущества от переднеприводной компоновки не так велики: масса и габаритная длина машины на 2-3% больше, чем при поперечном. Но в этом случае двигатель может сохранить классическую конструкцию, быть пригодным для различных модификаций, в том числе грузопассажирских и джипов.
Изменение компоновки всей передней части автомобиля потребовало, естественно, специфической подвески передних колес. После обширных исследований и поисков остановились на подвеске типа "качающаяся свеча", называемой также (по имени изобретателя) подвеской "Мак-Ферсон" ("За рулем", 1977, № 6). Ее главные особенности таковы: пружина расположена фактически над осью поворотного устройства и нагружена меньше, чем в подвесках двухрычажного типа, а направляющий аппарат состоит только из одного нижнего рычага (верхний рычаг конструктивно превратился в опорную точку), поэтому такая подвеска легче двухры-чажной примерно на 20%. Она не требует в эксплуатации регулировки углов развала колес и наклона геометрической оси назад, что чрезвычайно важно в уходе за автомобилем. К тому же ход колес при такой подвеске больше, и она комфортабельней. Подвеска "Мак-Ферсон" получила широкое распространение на переднеприводных автомобилях ("Форд-фиеста ", " Фольксваген-гольф ", "Опель-кадет", "Дайхатсу-шарада").
Специфика конструкции узла, объединяющего ступицу переднего колеса, шарнир равных угловых скоростей и нижнюю часть стойки подвески "Мак-Ферсон", позволяет создать отрицательное плечо обкатки передних колес ("За рулем", 1979, № 11). Это не только повышает безопасность, но и создает благоприятные условия для устройства диагонального привода тормозов.
С поперечным расположением двигателя и подвеской "Мак-Ферсон" хорошо компонуется рулевое управление типа "шестерня-рейка" (подобное применяемому на мотоколяске СЗД). Оно просто, легко и дешево, а главное, очень компактно и позволяет рационально использовать пространство внутри кузова. Реечное рулевое управление не требует промежуточных рычагов и имеет только четыре рулевых шарнира (вместо шести) в поперечных рулевых тягах. Пример удачного сочетания поперечного расположения силового агрегата, подвески "Мак-Ферсон" и реечного рулевого управления - модель "Дайхатсу-шарада" (см. вкладку).
Для переднеприводных автомобилей характерны стремление сохранять точно заданную кинематикой рулевого управления траекторию движения и свойство очень "неохотно" изменять ее. Они, с одной стороны, обеспечивают большую безопасность движения, но, с другой, требуют и повышенных физических усилий со стороны водителя и увеличения поворота руля. Эти, не особенно приятные для эксплуатации свойства можно свести на нет, сочетая конструкцию "Мак-Ферсон" и различного типа задние подвески для получения нужных характеристик управляемости. На современных переднеприводных моделях названные недостатки изжиты и обеспечено необходимое поведение автомобиля на поворотах. Наилучшей с этих позиций оказалась конструкция задней подвески с двумя качающимися в продольной плоскости рычагами, которые соединены между собой поперечиной, играющей роль стабилизатора. Упругим элементом, как и в передней подвеске, служит винтовая пружина.
Итак, широкое распространение переднеприводных автомобилей за последние годы не случайно. Сами же они, чтобы наилучшим образом отвечать этим условиям, представляют собой сложную цепь взаимосвязанных конструкторских решений, которые только в определенном сочетании дают желаемый результат.
Легковые автомобили с приводом на передние колеса наиболее полно отвечают современным запросам и начинают занимать свое место в производственной программе почти всех ведущих автомобильных заводов. В ближайшие годы выпуск новых переднеприводных моделей начнут предприятия нашей автомобильной промышленности: АЗЛК, ВАЗ, ЗАЗ.
