Технологии Subaru

В сентябре 1972 года Subaru стала первым в мире производителем, внедрившим полный привод в производство легковых автомобилей промышленного назначения. Subaru Leone Station Wagon AWD, оснащённый стандартным подключаемым полным приводом, открыл новую эру в технологии привода. С тех пор Subaru построила более десяти миллионов полноприводных легковых автомобилей по всему миру, став бесспорным лидером рынка в этом сегменте.

До начала 1960-х годов термин «полный привод» был синонимом «коммерческого автомобиля». Полный привод был доступен только военным, строительным и чисто внедорожным автомобилям. Хотя это было идеальным решением для оптимальной тяги, автомобили были медлительными, плохо входили в повороты и были идеально адаптированы для сложных условий. В 1970-х годах, по мере того как двигатели становились всё более мощными, а автомобили — всё более быстрыми, принцип четырёх ведущих колёс открывал технический потенциал для создания системы привода, способной эффективно и контролируемо передавать высокую мощность двигателя на дорогу и преобразовывать её в тягу.

Несмотря на все ограничения, структурные преимущества полного привода были очевидны: система привода обеспечивает максимальное тяговое усилие, движущие силы не влияют на реакцию рулевого управления, а полный привод гарантирует четкое и предсказуемое управление. Поэтому потребовалось лишь небольшое усилие, чтобы перенести технологию полного привода на легковые автомобили. Это усилие исходило от компании Tohoku Electric Supply Company, которая поставляла электроэнергию в префектуру Тохоку на севере главного японского острова Хонсю. Этот крупный заказчик требовал автомобиля, который позволил бы сотрудникам легко и безопасно добираться до своих рабочих мест даже зимой. Subaru разработала Leone Station Wagon AWD и поставила первый в мире полноприводный легковой автомобиль в сентябре 1972 года. Полноприводный Leone вызвал бум спроса среди компаний, которым требовалась его производительность в заснеженных и горных районах Японии. Но он также зарекомендовал себя на экспортных рынках: Subaru Leone Station Wagon AWD стал самым продаваемым в мире полноприводным автомобилем и ядром полноприводной технологии Subaru. Лишь спустя восемь лет после появления Subaru Leone Station Wagon AWD, в 1980 году, южногерманский автопроизводитель представил свой «оригинальный Quattro».

Внутри и снаружи Subaru Leone Station Wagon AWD ничем не отличался от переднеприводных моделей. Однако он оснащался подключаемым полным приводом (обычно называемым полным приводом), который также передавал часть мощности двигателя на заднюю ось. В Subaru Leone система полного привода 4WD представляла собой механическое создание жёсткого соединения привода с изначально ведущей передней оси на заднюю ось с помощью кулачковой муфты.

Технические характеристики Subaru Leone Station Wagon AWD

• Длина / ширина / высота: 3995 мм x 1500 мм x 1385 мм
• Вес: 855 кг
• Двигатель: Четырехцилиндровый оппозитный двигатель с водяным охлаждением EA63S
• Диаметр x ход поршня: 85 мм x 60 мм
• Рабочий объем: 1361 кубический сантиметр
• Степень сжатия: 8,5: 1
• Макс. мощность: 53 кВт / 72 л.с. при 6400 об/мин
• Макс. крутящий момент: 10,2 кг-м/3000 об/мин = 100,06 Нм при 3000 об/мин
• Коробка передач: Четырехступенчатая механическая коробка передач
• Привод: Отключаемый полный привод; Механическое создание жесткого сквозного привода с помощью кулачковой муфты от первоначально ведущей передней оси к задней
• Оси шасси: передняя независимая подвеска со стойками McPherson, задняя ось с косыми рычагами

Полный привод имеет три преимущества для динамики движения: 1. Тяга, 2. Управляемость и 3. Устойчивость. По сути, при полном приводе весь крутящий момент доступен на выходной стороне трансмиссии. Тяговые усилия не влияют на поведение рулевого управления, и все автомобили Subaru впечатляют своей четкой, послушной и предсказуемой управляемостью. Для достижения такого поведения вождения (которое желают все автопроизводители) полный привод идеально подходит, поскольку движущие усилия распределяются на все четыре колеса.

Система трансмиссии имеет решающее значение, поскольку тип привода и распределение мощности играют ключевую роль в определении того, когда превышается максимальный коэффициент трения между шинами и дорожным покрытием. Это особенно очевидно на поворотах, где в игру вступают три силы: мощность двигателя, которая толкает автомобиль вперед; сила трения, прижимающая колесо к дорожному покрытию; и боковая управляемость (центростремительная сила), являющаяся результирующей двух других. Эта сила противодействует центробежной силе, и чем она больше, тем увереннее становится прохождение поворотов. Боковая управляемость увеличивается с уменьшением мощности: из двух автомобилей с одинаковой мощностью двигателя полноприводный автомобиль (мощность которого делится вчетверо) будет обладать большей боковой управляемостью, чем автомобиль с приводом на два колеса (мощность которого делится только в два раза).

Пример: Двигатель выдает 100 л. с.; при предполагаемых условиях каждое ведущее колесо может преобразовать максимум 30 л. с. в тягу на дороге. С приводом на два колеса каждое ведущее колесо получает 50 л. с. (100:2) — это на 20 л. с. больше, чем оно может преобразовать в тягу. Результат: Колеса пробуксовывают. Полный привод, с другой стороны, распределяет 100 л. с. равномерно на все четыре колеса. Каждое колесо получает 25 л. с. (100:4), поэтому нагрузка остается ниже предела нагрузки в 30 л. с. на колесо: колеса не пробуксовывают. Эта разница применима в любых условиях, но становится более существенной на более сложных поверхностях с низкими значениями трения. Чем более аварийно-опасная ситуация, тем очевиднее становится преимущество полного привода в безопасности перед приводом на два колеса.

Симметрия конструкции — определяющая характеристика системы «Симметричный полный привод» Subaru, которая сочетает оппозитный двигатель с полным приводом. По сравнению со всеми V-образными и рядными двигателями, оппозитный двигатель обладает преимуществами очень низкого центра тяжести и полностью симметричной конструкции. Его отличительной чертой являются оппозитные цилиндры. Внутри поршни расположены парами, как два оппозитных двигателя, и движутся горизонтально. Такая конструкция обеспечивает более жесткий блок цилиндров. Массовый баланс оппозитного двигателя идеален: он плоский, короткий и компактный. Короткий и жесткий коленчатый вал обеспечивает высокие обороты двигателя. Низкая общая высота обеспечивает низкий центр тяжести и практически идеальное распределение веса. Низкий центр тяжести обеспечивает меньшие крены кузова в поворотах, что, в свою очередь, приводит к уменьшению крена кузова и более устойчивой управляемости. Привлекательность оппозитного двигателя во многом обусловлена эстетикой его синхронизированной работы: даже без балансировочных валов оппозитный двигатель плавно развивает номинальную скорость.

Эти преимущества вносят значительный вклад в балансировку и производительность системы полного привода Subaru: от двигателя до трансмиссии, карданного вала и дифференциала заднего моста вся трансмиссия работает по прямой линии с горизонтальной симметрией. Все ключевые компоненты и узлы — от продольно установленного оппозитного двигателя до трансмиссии, главной передачи, карданного вала и дифференциала заднего моста — расположены по прямой линии с горизонтальной симметрией. Это обеспечивает нейтральный баланс автомобиля. Сочетание оптимального сцепления с дорогой и идеального баланса обеспечивает максимальную устойчивость вождения. Все тяжелые компоненты, такие как трансмиссия, главная передача и т. д., расположены между двумя осями. Это позволяет избежать ненужного веса от этих компонентов спереди и сзади и снижает момент рыскания автомобиля. Низкий момент рыскания оптимизирует поведение рулевого управления автомобиля, уменьшая момент инерции в рулевом управлении и улучшая общую управляемость автомобиля. Сочетание оптимального сцепления с дорогой и идеального баланса обеспечивает устойчивость вождения и «способность предотвращать аварии»: это настоящий ключ к безопасности, ведь лучше избежать аварии, чем «просто» пережить её.

Симметрия базовой конструкции не только обеспечивает отличную управляемость, но и вносит значительный вклад в пассивную безопасность, поскольку оставляет достаточно места по обе стороны моторного отсека. Это позволяет использовать элементы рамы, идущие от салона непосредственно к бамперу и играющие ключевую роль в поглощении энергии при лобовом ударе. Благодаря глубине установки оппозитный двигатель скрывается под днищем при лобовом ударе и не проникает в салон.

В настоящее время Subaru работает над оптимизацией электронного управления всеми аспектами системы полного привода. Цель — создание комплексной концепции автомобиля, в которой взаимосвязаны система симметричного полного привода Symmetrical AWD, система управления динамикой автомобиля (Vehicle Dynamics Control), система управления моментом рыскания (Yaw Moment Control) и система управления силой трения шин (Tire Force Control). Оптимизация конструкции межосевого дифференциала, разработка центрального дифференциала повышенного трения с электронным управлением и оптимизация конструкции передних и задних дифференциалов повышенного трения практически автоматически приводят к улучшению динамических характеристик автомобилей с полным приводом.

Subaru последовательно продолжает развитие, начатое в сентябре 1972 года с появлением Leone Station Wagon AWD. Уравнение Subaru = полный привод останется верным и в будущем. Горизонтально-симметричная система полного привода Subaru «Symmetrical AWD» была и остаётся основной технологией пионера полного привода, положившего начало эре полного привода в производстве легковых автомобилей 33 года назад. Потенциал симметричного полного привода ещё далеко не исчерпан. Subaru постоянно работает над оптимизацией этой базовой технологии.

Конструктивные различия между соответствующими системами полного привода обусловлены тем, что механические коробки передач требуют иных решений, чем автоматические.

1972 года: Механически подключаемый полный привод.

Простейшей формой полного привода является подключаемый полный привод, обычно называемый полным приводом. В Subaru Leone AWD система полного привода представляла собой механически создаваемую жёсткую связь привода с изначально ведущей передней осью на заднюю ось через кулачковую муфту.

1980: Механически подключаемый полный привод и «двухдиапазонный» режим.

Начиная с оригинальной системы подключаемого полного привода, Subaru непрерывно совершенствовала полный привод. Subaru 1800 (1980) оснащён механической коробкой передач с подключаемым полным приводом и «двухдиапазонной» понижающей передачей. При нажатии на рычаг скользящая муфта в трансмиссии включает пару шестерён и передаёт привод на заднюю ось. Второе положение рычага активирует понижающую передачу и режим «двухдиапазонной» передачи.

1983: Пневматически подключаемый полный привод.

Subaru также использовала механические коробки передач с подключаемым полным приводом в моделях Libero (1983) и Justy (1984), но теперь включение было электропневматическим, нажатием кнопки на рычаге переключения передач. Мембранный кожух трансмиссии с одной стороны соединен с вакуумным насосом двигателя через электромагнитный клапан, а с другой стороны на мембрану действует атмосферное давление. Эта разность давлений активирует вал выбора передач, соединенный с мембраной, которая, в свою очередь, приводит в действие скользящую муфту. Эта скользящая муфта обеспечивала фрикционное соединение с раздаточной коробкой.

1987: Постоянный полный привод

Эра постоянного полного привода в Subaru началась с купе XT на Франкфуртском автосалоне 1987 года. Впервые Subaru объединила полный привод в модели с пятиступенчатой механической или четырехступенчатой автоматической коробкой передач. В механической версии межосевой дифференциал распределяет мощность привода поровну между передней и задней осями; при возникновении разницы скоростей между осями он может быть заблокирован электромеханически: электрический переключатель активирует механическую защелку при 100 процентах.

1988: Постоянный полный привод с вискомуфтой.

В первом поколении Legacy Subaru впервые применила межосевой дифференциал с самоблокирующейся вискомуфтой. Конструкция трансмиссии по сути идентична XT, но вискомуфта в межосевом дифференциале блокируется автоматически и непрерывно, в зависимости от величины разницы скоростей между передней и задней осями, до полной блокировки дифференциала. Эта конструкция — межосевой дифференциал с вискомуфтой — до сих пор используется в современных моделях с механической коробкой передач.

2005: STi-AWD с планетарным межосевым дифференциалом, винтовым LSD и DCCD.

Impreza WRX STi, базовый автомобиль для Impreza WRC, меняет базовую конструкцию в соответствии со спортивными требованиями: шестиступенчатая коробка передач оснащена межосевым дифференциалом, выполненным в виде планетарного ряда. При выключенном сцеплении распределение крутящего момента между передней и задней осями составляет 36:64. Водитель может вручную регулировать это распределение. С помощью поворотного переключателя водитель активирует электромагнитную муфту, которая блокирует планетарный ряд в соответствии с его настройками (DCCD – управляемый водителем центральный дифференциал). При полностью заблокированном планетарном ряду распределение мощности между передней и задней осями составляет 50:50. Интеграция винтового LSD в передний дифференциал оптимизирует сцепление передних колес в поворотах.

1981: Автоматическая коробка передач с многодисковой трансмиссией 4WD

Инновационная система «многодискового полного привода» (MP-T) использует гидравлическое давление от автоматической коробки передач и объединяет её с системой полного привода, которая включается во время движения простым нажатием кнопки. Система состоит из семидисковой муфты на выходной оси, соединённой с задним карданным валом. При включении полного привода гидравлическое давление от масляного насоса трансмиссии автоматически передаётся на многодисковую муфту, которая, в свою очередь, включается и передаёт крутящий момент на задний карданный вал. Таким образом, MP-T компенсирует разницу в скорости вращения передних и задних колёс. В режиме «Auto-4WD» автомобиль переходит в «интеллектуальный» режим полного привода, в котором гидравлическое давление для многодисковой муфты активируется при нажатии на тормоз и включении стеклоочистителей (sic!).

1987: Постоянный полный привод.

В Subaru XT с четырехступенчатой автоматической коробкой передач ACT-4 (ACT = Active Control of Torque) распределение крутящего момента дифференцировано: механически на переднюю ось через пару равновеликих шестерен и гидравлически на заднюю ось через многодисковую муфту, работающую в масляной ванне.

1989: трансмиссия ECVT и подключаемый полный привод.

В Justy с трансмиссией ECVT (1989) полный привод включается нажатием кнопки на рычаге переключения передач. Переключатель гидравлически приводит в действие вал выбора передач, который через скользящую муфту подключает привод раздаточной коробки.

1991: постоянный полный привод с VTD.

В Gran Turismo SVX (1991) Subaru представила усовершенствованную автоматическую трансмиссию с VTD (Variable Torque Distribution): межосевой дифференциал, состоящий из планетарного ряда и дифференциала заднего моста с вязкостной муфтой, обычно направляет 36 процентов мощности двигателя на передние колеса и 64 процента на задние колеса. При изменении тяги электроника перераспределяет крутящий момент на колеса, обеспечивающие наилучшее сцепление в данных условиях. Гидравлическая многодисковая блокировка непрерывно блокирует планетарный ряд при возникновении разницы скоростей между передней и задней осями. Вискомуфта на задней оси предотвращает потери мощности на вращающихся колесах.

1998: Постоянный полный привод с системой VTD и системой управления динамикой автомобиля.

В 1998 году Subaru внедрила систему VTD и систему управления динамикой автомобиля в топовые модели серии Legacy. «Аппаратное обеспечение» (конструкция системы VTD) осталось прежним, но электронное управление было значительно улучшено благодаря оптимизированной сенсорной технологии блока управления динамикой автомобиля, работающего по шине CAN.

2004: Постоянный полный привод с оптимизированной системой VTD и системой управления динамикой автомобиля.

В новой пятиступенчатой автоматической коробке передач с VTD многодисковая блокировка с помощью планетарного ряда позволяет регулировать крутящий момент на передней и задней осях в относительно широком диапазоне. Это делает автоматическую коробку передач с VTD особенно подходящей для автомобилей с системой управления динамикой автомобиля (VDS), поскольку её блок управления взаимодействует с блоком управления трансмиссией. Если блок управления динамикой автомобиля обнаруживает недостаточную или избыточную поворачиваемость автомобиля, он отправляет соответствующую информацию в блок управления трансмиссией. Блок управления трансмиссией уменьшает крутящий момент на неустойчивой оси, управляя многодисковой блокировкой.

Все автомобили Legacy 3.0, начиная с 2004 модельного года, оснащены этой системой.

Основной особенностью винтового LSD является его косозубое зацепление. Присущее ему трение и дополнительные силы (из-за угла наклона зубьев) приводят к возникновению противодействующих сил на корпусе и вызывают дополнительное трение в точках контакта. Винтовой LSD относится к категории дифференциалов с датчиками крутящего момента, так называемых дифференциалов Torsen (Torsen = TORque SENsing).

Эффект блокировки возникает из-за разницы скоростей, и блокировка стремится поддерживать её на минимальном уровне. Блокировка возникает только при наличии разницы скоростей. При трогании с места на дороге с разным уровнем сцепления одно колесо должно сначала провернуться, прежде чем блокировка перераспределит крутящий момент на колесо с хорошим сцеплением. При входе в поворот под нагрузкой (при наличии крутящего момента и нажатии на педаль газа) блокировка сначала позволяет колёсам компенсировать противоположное движение; однако по мере увеличения разницы скоростей крутящий момент перераспределяется на колесо, находящееся внутри поворота. Эффект трения возникает из-за трения на корпусе или внутри него, фрикционных дисков или скользящих нитей. Принцип действия основан на законах кулоновского трения, то есть эффект блокировки не зависит от разницы скоростей. Винтовой LSD блокируется до тех пор, пока передаётся мощность. Даже в широких поворотах это заставляет дифференциал пытаться вернуть автомобиль на прямую линию. В таких условиях движения дифференциал повышенного трения способствует недостаточной поворачиваемости.

Ключевым элементом для раскрытия потенциала полного привода с электронным управлением является «µ-Estimator», который рассчитывает пробуксовку на основе заданных параметров. Цели разработки включают оптимизацию курсовой устойчивости на скользкой дороге (блокировка межосевого дифференциала) и управляемости на сухой дороге (оптимальное распределение крутящего момента). Это достигается за счёт совместного управления системой управления динамикой автомобиля (VDS) и обратной связи по моменту рыскания.

Концепция «µ-Estimator» не требует дополнительных или эксклюзивных датчиков и отличается такой же надёжностью, как и чувствительностью. Разработка была сосредоточена на законе идентификации параметров теории адаптивного управления. Применение теории адаптивного управления позволяет оценить характеристики шин, подверженные влиянию µ. Для оптимизации отклика µ-оценки также учитываются изменения, вызванные боковым ускорением автомобиля. Эти изменения вступают в силу, когда входного сигнала для идентификации параметров недостаточно, поскольку, согласно теории адаптивного управления, сигналы идентификации должны быть устойчивыми. Характеристики шин корректируются на основе логики идентификации параметров; предполагаемый µ рассчитывается на основе расчётных значений шин, а базовое распределение крутящего момента основано на предполагаемом µ.

На дорогах со сплошным снежным покровом оценка нашей системы управления работает иначе. Мгновенный коэффициент устойчивости «K» служит индексом поведения рулевого управления. «K» рассчитывается на основе угла поворота рулевого колеса, момента рыскания и скорости автомобиля. Мгновенный коэффициент устойчивости отрицателен в ситуациях избыточной поворачиваемости и положителен в ситуациях недостаточной поворачиваемости. При разомкнутом межосевом дифференциале частота нейтрального или избыточного поведения рулевого управления относительно высока; при заблокированном межосевом дифференциале частота выраженной недостаточной поворачиваемости относительно высока.

Поэтому Subaru ввела искажение мгновенного коэффициента устойчивости. При частой избыточной поворачиваемости искажение отрицательное или относительно низкое. В существующей системе VTD управляемость отдельных колёс улучшается за счёт оптимизации распределения крутящего момента в системе управления динамикой автомобиля (VDS). Это оптимизирует распределение крутящего момента на основе µ, а обратная связь по моменту рыскания обеспечивает отличную управляемость и устойчивость.

Источник: https://web.archive.org/web/20100315190312/http://www.subaru-presse.de/symmetrical-awd.html