Компоновки автомобиля с задним приводом

Г. Москва

Г

Заднеприводная компоновка автомобиля

За́днийпри́вод — конструкция трансмиссии автомобиля, когда крутящий момент, создаваемый двигателем, передаётся на задние колёса. Реализовано это может быть при самом различном взаимном расположении двигателя и агрегатов трансмиссии.

Во время передвижения автомобиля коленвал мотора развивает до 4500-6500 об/мин., при этом ведущая колесная пара вращается со скоростью не выше 1300 об/мин. Это говорит о том, что даже на качественном дорожном полотне колеса машины вращаются в четыре раза медленнее коленвала. На неблагоприятном дорожном покрытии, когда сопротивление движению автомобиля возрастает, и водитель вынужден двигаться с небольшой скоростью, данное отношение увеличивается.

В процессе эксплуатации машины, кроме изменения величины, подводимого к ко­ле­сам момента и скорости движения, возникает необходимость двигаться задним ходом, останавливаться, маневрировать. Выполнение этих всех операций становится возможным за счет того, что развиваемый силовым агрегатом крутящий момент через механизмы, сос­тав­ля­ю­щие трансмиссию автомобиля, подводится к ведущим колесам машины.

Все, что связывает мотор с ведущими автомобильными колесами, является сос­тав­ля­ю­щей трансмиссии автомобиля. Трансмиссия автомобиля осуществляет следующие функ­ции:

• изменяет направление и величину крутящего момента;
• передает крутящий момент от силового агрегата к колесам;
• выполняет перераспределение момента между ведущими колесами.

В зависимости от разновидности преобразуемой энергии, трансмиссия автомобиля бывает следующих видов (классификация трансмиссий):

• механическая (передает, а также преобразует механическую энергию);
• электрическая (осуществляет преобразование механической энергии в элект­ри­чес­кую, а после передачи ее к ведущим колесам, преобразование происходит в обратном направлении);
• гидрообъемная (выполняет преобразование механической энергии в энергию нап­рав­лен­но­го потока жидкости и после процесса ее передачи на ведущие колеса пре­об­ра­зу­ет в обратной последовательности);
• комбинированная (гидромеханическая, электромеханическая - т.н. "гибриды").

Общее устройство трансмиссии автомобиля представлено на рисунке ниже.

Компоновки автомобиля с задним приводом

Заднеприводная трансмиссия включает в себя следующие взаимосвязанные элементы:

· коробку передач;

· сцепление;

· главную передачу;

· дифференциал;

· карданную передачу;

· полуоси.

Стоит отметить, что на заднеприводных автомобилях коробка передач устанавливается на более мягкие опоры, что позволяет снизить уровень вибрации и создаёт дополнительный комфорт. Трансмиссия автомобиля при заднем приводе характеризуется тем, что наиболее массовым вариантом расположения КП, является её блокировка вместе со сцеплением к заднему мосту посредством карданного вала. Такой вариант приводит к концентрации центра масс в район передней оси. Следует отметить, что вариант автомобилей с задним приводом считается классическим, и трансмиссия в данном случае более проста по своей конструкции и в эксплуатации.

Трансмиссия работает следующим образом: на маховик, через фрикционные накладки диска сцепления, жестко крепится корзина сцепления своей рабочей поверхностью. В диске изготовлено шлицевое отверстие, куда направляется первичный вал коробки передач. Когда сцепление отпущено, диск плотно зажимается между маховиком и «корзиной» и крутится вместе с ними, приводя в действие первичный вал. При нажатии на педаль сцепления, в действие приводится выжимной подшипник, который нажимает на лепестки корзины и освобождает диск сцепления, в этот момент работает двигатель «вхолостую». Далее первичный вал посредством шестерен передач с разным передаточным числом приводит в действие вторичный вал. Переключая передачи можно регулировать передаточное число, соответственно обороты вторичного вала изменяются. Хвостовик коробки передач (для заднего привода) соединен с карданным валом, далее крутящий момент поступает на главную передачу и распределяется на колеса с помощью дифференциала и полуосей. Вторичный вал коробки передач (для переднего привода) непосредственно соединен с главной передачей и дифференциалом. К дифференциалу подсоединены полуоси, на них соответственно ШРУСы через которые крутящий момент передается на колеса. Для полноприводных автомобилей крутящий момент передается через раздаточный механизм, который имеет один выход хвостовика для подачи на кардан. Полноприводные авто могут обеспечиваться блокировкой моста, т.е. отключение перераспределения по полуосям крутящего момента. Коробка передач является важным узлом в устройстве автомобиля и предназначена для передачи мощности двигателя к ведущим колесам. В процессе передачи мощности, в виде крутящего момента, происходит его трансформация (увеличение или уменьшение), изменение направления и т.д. Второе предназначение коробки передач - отключение крутящего момента от трансмиссии, исключение - механическая коробка. В этом виде коробок отключение крутящего момента происходит при помощи отдельного узла - сцепления.

С передним расположением двигателя

На постсоветском пространстве известна под названием «классическая компоновка». Под классической компоновкой подразумевается установка двигателя спереди продольно (т. е. вдоль оси автомобиля) над передней осью с приводом на задние колеса.

Для расположения коробки передач здесь есть два варианта:

· КП вместе со сцеплением сблокирована с двигателем и связана с задним мостом при помощи карданного вала — это наиболее распространённая на массовых моделях схема;

· КП, часто вместе со сцеплением, расположена отдельно от двигателя у заднего моста и сблокирована с главной передачей (это конструктивное решение называется «трансэксл»), а карданный вал, либо заменяющий его вал без шарниров внутри трансмиссионной трубы, вращается всегда со скоростью коленчатого вала двигателя. Часто при такой схеме двигатель связан с коробкой передач, сблокированной с редуктором заднего моста, полой трансмиссионной трубой, внутри которой расположен тонкий вал без шарниров, заменяющий карданный вал; часто эта трансмиссионная труба по совместительству является и силовой основой кузова автомобиля, то есть рамой — в данном случае, разновидностью хребтовой рамы. Так как картер редуктора заднего моста при такой схеме неподвижен, требуется независимая подвеска задних колёс. Преимущество этой компоновки — лучшая развесовка по осям, особенно при размещении спереди тяжёлого двигателя, поэтому её применяют в основном на спортивных автомобилях, например, ChevroletCorvette последних выпусков.

Задний привод в сочетании с передним расположением двигателя часто называют «классической компоновкой», потому что эта компоновка автомобиля была наиболее распространена с начала XX века и до конца семидесятых годов.

Плюсы

1. Примерно равное распределение веса автомобиля по осям; как следствие — лучше управляемость на сухом покрытии и равномерный износ шин;

2. Нейтральная или небольшая недостаточная поворачиваемость в нормальных услвоиях, что обеспечивает стабильную курсовую устойчивость;

3. Двигатель расположен перед водителем; это облегчает контроль над ним и управление, обеспечивет простую реализацию отопления салона;

4. Благодаря установке силового агрегата на мягких демпфирующих опорах значительно уменьшается уровень вибрации в салоне по сравнению с передним приводом, особенно — на моделях высоких классов;

5. По сравнению с переднеприводными схемами и заднемоторными автомобилями, компоновка силового агрегата и трансмиссии намного менее плотная, что облегчает проектирование, изготовление и обслуживание автомобиля, позволяет использовать очень различные силовые агрегаты на одной и той же модели;

6. Продольное расположение двигателя, как следствие, — возможность размещение двигателей, непригодных для поперечного расположения из-за своей длины — например, рядных шестицилиндровых; более простая конструкция передней подвески;

7. Как правило, при сравнимом технологическом уровне автомобиль такой компоновки долговечнее; это относится в первую очередь к автомобилям с жёсткой балкой заднего моста; но и на автомобилях с независимой задней подвеской шарниры полуосей, как правило, имеют больший ресурс по сравнению с установленными на передних полуосях переднеприводного автомобиля, так как задние колёса, как правило, не поворачиваются, и условия работы шарниров более щадящие.

Минусы

Главный минус компоновки — наличие карданного вала, из этого следует:

· Увеличение массы и себестоимости автомобиля;

· Необходимость наличия в полу кузова специального тоннеля, уменьшающего объём пассажирского салона;

· Повышение уровня шумности и вибраций; "Благодаря установке силового агрегата на мягких демпфирующих опорах значительно уменьшается уровень вибрации в салоне по сравнению с передним приводом, особенно — на моделях высоких классов";

· Некоторое затруднение при создании грузопассажирских модификаций из-за отсутствия ровного пола;

· Сравнительно большие трансмиссионные потери (потеря мощности) из-за наличия растянутой трансмиссии с карданным валом;

Заднеприводный, переднемоторный автомобиль получается одним из наиболее длинных по сравнению с другими компоновочными схемами, и, к тому же, наиболее высоким — как следствие, у него будут также наибольшая масса и, обычно, себестоимость; особенно эти недостатки чувствительны для микролитражного автомобиля, поэтому именно на них «классическая» компоновка вышла из употребления ещё в пятидесятые годы и была заменена сначала на заднемоторную, а впоследствии — на переднеприводную. В настоящее время по «классической» компоновке строят преимущественно относительно большие автомобили высоких классов.

Передняя среднемоторная заднеприводная компоновка

Как правило, в самостоятельный тип её не выделяют, рассматривая совместно с «классической» компоновкой.То же, что и предыдущий вариант, но с двигателем, расположенным в пределах колёсной базы автомобиля. Такая схема применялась преимущественно до конца тридцатых годов, до распространения независимых передних подвесок; впоследствии использовалась исключительно на спортивных автомобилях с тяжёлыми двигателями с целью избежать излишней перегрузки передней оси. При этом перемещение двигателя назад смещает и пассажирский салон, поэтому размещение пассажиров и грузов при такой компоновке нерационально; в частности, заднее сиденье, как правило, располагалось над кожухами задних колёс, а отдельный багажник отсутствовал.Иногда на современных двухместных спортивных автомобилях с тяжёлыми расположенными спереди двигателями их также сдвигают назад для лучшей развесовки, примеры — Mazda RX-7, DodgeViper, LotusSeven.О таком расположении иногда говорят: «двигатель в базе», подразумевая, что геометрически двигатель находится в пределах колесной базы автомобиля.

С расположением двигателя у задней оси

Также называется «компоновкой с центральным расположением двигателя». Из легковых автомобилей — применяется почти исключительно на спортивных моделях, изредка — на автомобилях вагонной компоновки.

Характерный пример такой компоновки — PorscheBoxster сшестицилиндровым оппозитным двигателем, расположенным непосредственно перед задним ведущим мостом.

Расположение силового агрегата примерно в центре масс автомобиля даёт оптимальную развесовку при любой массе двигателя и хорошую динамическую загрузку ведущих колёс, что существенно улучшает их сцепление с асфальтом, особенно на скользком покрытии (хотя и в меньшей степени, чем в случае заднемоторной компоновки).

Однако такое его размещение сильно затрудняет компоновку пассажирского салона (почти всегда такие автомобили делают двухместными; впрочем, существует и несколько моделей с посадочной формулой 2+2, то есть с двумя обычными местами и двумя ограниченной комфортабельности, «детскими»), а также доступ к силовому агрегату и его охлаждение, что делает эту компоновку непригодной для легковых автомобилей общего назначения.

Управляемость среднемоторных автомобилей лучше, чем заднемоторных, и для них характерны весьма высокие предельные скорости вхождения в поворот; при этом очень малое плечо момента инерции вокруг вертикальной оси из-за концентрации массы автомобиля в пределах колёсной базы приводит к плохой курсовой устойчивости (иными словами, такие автомобили очень легко сбить с траектории прямолинейного движения, так как момент инерции, противодействующий этому, у них весьма мал), а также очень резкому поведению в поворотах, что требует большого мастерства от водителя.

На автобусах среднемоторная компоновка была широко распространена до появления низкопольных моделей. Хорошо известный пример — автобусы Ikarus, у которых рядный шестицилиндровый дизель RABA MAN размещался под полом пассажирского салона горизонтально.

Среднемоторная компоновка широко использовалась на ранних автомобилях конца XIX — начала XX века, в частности, первых автомобилях Бенца и Даймлера. Двигатель располагался у них под высоким сиденьем водителя и приводил задние колёса при помощи цепи.

Заднемоторная заднеприводная компоновка

Продольное расположение двигателя за задней осью с приводом на задние

колеса (еще называют с «задним расположением двигателя»). Такая компоновка нынче редкость и применяется, в основном, фирмой Porsche.

В автомобилях, спроектированных по заднемоторной, заднеприводной компоновке, двигатель, трансмиссия и ведущий мост находятся в задней части автомобиля. В отличие от среднемоторной компоновки, центр масс силового агрегата при этом находится за задней осью (не путать с общим центром масс всего автомобиля — если бы он располагался позади задней оси, было бы невозможно удержать на земле передние колёса).

При такой компоновке силовой агрегат может располагаться как продольно, так и поперечно. Тем не менее, на абсолютном большинстве заднемоторных легковых автомобилей силовой агрегат расположен продольно, а поперечное его расположение встречается, в основном, на автобусах. Из легковых автомобилей поперечно расположенный мотор имели западногерманские малолитражки фирмы NSU выпуска шестидесятых — начала семидесятых годов.

Заднемоторная компоновка наиболее пригодна для сравнительно малоскоростных автомобилей, построенных по вагонной компоновке, при которой передний ряд сидений расположен над или перед нишами передних колёс, что позволяет получить близкую к оптимальной развесовку с лишь немного переутяжелённым задним свесом. Именно таковы были многие концептуальные разработки заднемоторных автомобилей, такие, как StoutScarab, GhiaSelene, НАМИ-013, «Белка», ВНИИТЭ-ПТ и другие, а также один из наиболее удачных автомобилей, построенных по этой схеме, — VolkswagenTransporterTyp 2. Особенно выигрышным при этом является использование «плоских» оппозитных двигателей, малая габаритная высота которых позволяет расположить над ними багажное отделение или выполнить ровный пол в микроавтобусе или фургоне.

Однако же на практике в серию шли преимущественно заднемоторные автомобили с привычным публике традиционным трёхобъёмным кузовом «седан» (или реже двухобъёмным, «фастбэк», «хетчбэк», «комби» или «универсал»), в котором передний ряд сидений располагается сравнительно далеко позади передней оси, что сразу создавало неустранимое в рамках данной компоновки нарушение развесовки — задняя ось, на которую приходилось более 60 % массы автомобиля, оказывалась существенно перегруженной; отсюда — низкий уровень ходовых качеств, и в первую очередь — устойчивости и управляемости.

Такая компоновка массово применялась на европейских малолитражках с тридцатых и до начала восьмидесятых годов — VolkswagenType 1 («Жук») и всех моделях на его базе; Škoda 1000MB и её потомках; всех «Запорожцах»; «Фиатах» моделей 500, 600, 850, 126 и 133; RenaultDauphine, Caravelle, R8 и R10; Simca 1000, SEAT 133, BMW 700, NSU Prinz и других, а также на немногих спортивных купе класса GT: Alpine моделей A110, A310 и A610; DeLorean DMC-12; Porsche моделей 356 и 911 и некоторых других. В редчайших случаях её применяли на автомобилях среднего класса (ChevroletCorvair, VolkswagenType 4, VW 411 и VW 412), а также представительских или большого класса, например, «Татрах» от модели Т77 до Tatra T603, а также TuckerTorpedo.

На автомобиле Tatra T613 и её более поздних версиях (до T700) использовалась уникальная компоновка с расположением двигателя V8 над задней осью, эта схема, как правило, тоже считается разновидностью заднемоторной компоновки, хотя по развесовке ближе к среднемоторной.

В настоящее время заднемоторные легковые автомобили общего назначения практически не строятся, так как считается, что при современных скоростях движения заднемоторная компоновка не удовлетворяет требованиям безопасности, устойчивости и управляемости. Это в целом верно для водителя, привыкшего к переднемоторным автомобилям, так как их управляемость коренным образом отличается от таковой при заднем расположении двигателя.

В то же время в последние годы заднемоторная компоновка вновь начала применяться на малогабаритных городских автомобилях TataNano с невысокой максимальной скоростью или SmartFortwo, а также на последнем поколении RenaultTwingo. Кроме того, она традиционно сохраняется на спортивно-дорожной модели Porsche 911. На европейских моделях SmartFortwo и Porsche 911 для улучшения управляемости до приемлемого уровня используются сложные электронные устройства.

В своё время Volkswagen объявил о намерении к 2010 году запустить в серию недорогой компактный 3,5-метровый заднемоторный городской автомобиль VolkswagenCityExpert с трёхцилиндровым двигателем и невысокой максимальной скоростью, однако к появлению серийного образца этот проект так и не привёл.

Кроме того, эта схема широко используется на больших автобусах, для которых расположение двигателя сзади весьма удобно с точки зрения организации пассажирского салона; в частности, позволяет опустить пол, что необходимо городским автобусам.

В отличие от легкового автомобиля, при равномерно заполненном пассажирами салоне развесовка автобуса с задним расположением силового агрегата оказывается более благоприятной. Кроме того, скорости движения автобусов существенно ниже, чем у легковых автомобилей, а требования к управляемости не столь жёстки.

Однако из-за использования на автобусах исключительно неразрезных задних мостов с приводом карданным валом эта схема конструктивно пригодна лишь для больших автобусов с длиной не менее 8,5 метров.

Плюсы

1. На ведущую ось приходится до 60 % (и даже более) массы автомобиля, плюс динамическая загрузка при разгоне; это предопределяет хорошую динамику разгона и очень хорошие возможности разгона при недостаточном сцеплении задних ведущих колёс с дорогой — на мокром покрытии, в гололёд и на подъёме, что сделало логичным выбор такой схемы для спортивных автомобилей, а также, в сочетании с гладким днищем, — очень хорошую для монопривода проходимость;

2. За счёт отсутствия карданного вала и объединения силового агрегата и трансмиссии в компактный блок, при том же размере салона масса заднемоторного автомобиля на 5—10 % меньше, а себестоимость — на 7—12 % ниже, чем при «классической» компоновке (и ниже, чем при переднеприводной, благодаря более простой конструкции, в частности, отсутствию шарниров равных угловых скоростей). Это предопределяло выбор такой схемы для недорогих микро- и малолитражных автомобилей;

3. Из предыдущих пунктов следует возможность за счёт хорошего сцепления колёс с дорогой и общего облегчения конструкции установить двигатель меньшей мощности по сравнению с другими компоновками (особенно переднеприводной) без ухудшения потребительских качеств, что, опять же, особенно ценно для недорогих моделей;

4. При сравнимых внешних габаритах салон заднемоторного автомобиля будет просторнее по сравнению с автомобилем «классической» компоновки за счёт отсутствия туннеля в днище для карданного вала и трансмиссии, а по сравнению с переднеприводным — как правило, больше пространство для ног водителя и переднего пассажира;

5. Силовой агрегат — трансэксл, состоящий из двигателя, сцепления, коробки передач, редуктора заднего моста и полуосей, получается одним из наиболее компактных и достаточно дёшев в производстве, устанавливается на автомобиль за одну технологическую операцию; силовой поток получается коротким, что предопределяет небольшие потери мощности в трансмиссии;

6. Хороший доступ к двигателю относительно среднемоторной схемы;

7. Меньшая шумность в салоне по сравнению с передним расположением двигателя благодаря удалённости от пассажиров и хорошей изоляции моторного отсека (повышенная шумность «Запорожцев» и других заднемоторных автомобилей с двигателями воздушного охлаждения связана с конструктивными особенностями их двигателей, а не компоновкой);

8. Малое усилие на рулевом колесе благодаря малой загрузке передних колёс;

9. Простая конструкция передней подвески;

10. Оптимальное распределение тормозных сил;

11. Высокий уровень пассивной безопасности при лобовом ударе благодаря большой деформируемой зоне впереди кузова (однако некоторыми специалистами, напротив, отмечается худшая пассивная безопасность заднемоторных автомобилей, как раз в связи с отсутствием впереди двигателя);

Минусы

1. Худшая управляемость по сравнению с другими схемами; на ведущую ось приходится до 60 % массы автомобиля, что приводит к «избыточной поворачиваемости», а также — плохой курсовой устойчивости и недостаточной эффективности рулевого управления из-за недостаточного сцепного усилия на передних колёсах, особенно на высоких скоростях и на дорогах с плохим коэффициентом сцепления; повышенная чувствительность к боковому ветру; частично компенсировать этот недостаток помогают такие меры, как: применение более короткого V-образного или оппозитного двигателя, поперечное расположение силового агрегата, смещение пассажирского салона вперёд, правильный выбор кинематики задней подвески, а также — повышение давления в шинах задних колёс с одновременным увеличением угла наклона шкворней передних колёс в продольной плоскости (кастора);

2. Затруднённое охлаждение двигателя, усложнённое отопление салона; требуется мощный вентилятор принудительного охлаждения, потребляющий дополнительную мощность, соответственно — топливо; при выносе радиатора вперёд охлаждение двигателя улучшается, возникает возможность использовать более экономичный электровентилятор, но уменьшается и без того небольшой объём багажного отсека, к тому же появляются длинные теплотрассы, проложенные через весь кузов, что увеличивает потери тепла;

3. Большая длина приводов от рабочего места водителя к двигателю и трансмиссии;

4. Трудности с расположением топливного бака в безопасной зоне (при расположении сзади повышается пожароопасность, при переднем возникает вероятность деформации при аварии);

5. Большая нагрузка на опоры двигателя при трогании с места;

6. Трудности с построением эффективной выхлопной системы и системы глушения шума двигателя, их настройки из-за малой доступной длины;

7. Длинный задний свес, особенно при продольном расположении двигателя;

8. Объём багажного отделения обычно меньше, чем при «классической» компоновке из-за больших ниш передних (поворотных) колёс и расположения деталей рулевого управления;

9. Крайне затруднено создание грузопассажирских модификаций;

10. По сравнению с переднеприводным, при том же объёме салона, длина кузова заднемоторного автомобиля расходуется нерационально из-за расположения багажного отсека спереди;

Три последних недостатка частично устраняются применением плоских оппозитных двигателей, что позволяет добавить второй багажник сзади над двигателем (ChevroletCorvair), и даже строить модификации с кузовом «универсал» (ChevroletCorvair, VW 411 E Variant) и «фургон» (VolkswagenType 2), причём в этом случае автомобили имеют два багажных отделения с большим общим объёмом — спереди и сзади;

Наиболее радикальное решение для данной компоновки — построение автомобиля по вагонной схеме, что позволяет добиться близкой к оптимальной развесовки, но на практике применялось редко — например, VolkswagenType 2, оригинальный FiatMultipla, целый рядяпонских моделей 70-х — начала 90-х годов.