Дифференциал как автомобильный механизм скоро отметит двухвековой юбилей, однако его конструкция за эти долгие годы хоть и совершенствовалась, но сохранила ключевые особенности. Что же такое дифференциал, и какую роль он выполняет в автомобиле?
1. Что такое дифференциал?
Д ифференциал в автомобиле – это механизм, который позволяет передавать мощность и, следовательно, вращение от коробки передач к колесам, разделяя поток этой мощности на два, для каждого из колес одной оси, с возможностью изменять соотношение передаваемой к ним мощности, и, следовательно, позволяя колесам вращаться с разной скоростью. Проще говоря, дифференциал разделяет 100% мощности, передаваемой коробкой передач, на два потока для каждого из колес на одной оси, и эти потоки могут перераспределяться в зависимости от условий движений от 50:50 до 100:0.
2. Для чего нужен дифференциал?
Основное предназначение дифференциала – обеспечить возможность вращения колес на одной оси с разной скоростью с сохранением неразрывного потока крутящего момента. Для автомобиля это важно прежде всего в поворотах: ведь при движении по дуге колеса на внешней стороне поворота проходят больший путь, чем колеса на внутренней, а значит, должны вращаться с большей скоростью для сохранения стабильности машины.
Если же колеса на оси будут соединены жестко, то внутреннее колесо в повороте будет пробуксовывать. Для заднеприводного автомобиля это повышает риск заноса, а для переднеприводного радикально ухудшает управляемость и контроль автомобиля в повороте. Таким образом, обеспечение свободного и независимого вращения колес на одной оси с сохранением постоянства передачи на них крутящего момента от двигателя было одной из принципиальных задач с момента создания автомобиля – и это задача была успешно решена.
3. Как устроен дифференциал?
Дифференциал являет собой частный случай планетарной передачи. Физически он обычно представляет собой набор из четырех шестерней, вращение к которым передается пятой – ведомой шестерней главной передачи, объединенной с корпусом дифференциала, выполняющим роль водила. Главная передача – это набор из двух шестерней: ведущая получает вращение от КПП и передает его ведомой. Ведомая же шестерня главной передачи передает вращение через корпус на шестерни-сателлиты, а они, в свою очередь, находятся в зацеплении с солнечными шестернями, жестко закрепленными на приводных полуосях колес.
Когда автомобиль движется по прямой, шестерни-сателлиты неподвижны, и скорость вращения шестерни главной передачи равна скоростям вращения солнечных шестерней: колеса вращаются с одинаковой скоростью. В повороте же шестерни-сателлиты начинают вращаться, обеспечивая разницу скоростей солнечных шестерней и, следовательно, колес на внешней и внутренней стороне поворота.
4. Каковы недостатки дифференциала?
Главным недостатком дифференциала одновременно является его главное преимущество – возможность передавать до 100% мощности на одно из колес. Исходя из этого, в условиях, когда одно колесо имеет недостаточное сцепление с поверхностью, основная часть мощности будет передаваться именно на него. Таким образом, порой даже имея одно колесо на поверхности с достаточным сцеплением, автомобиль не может тронуться с места.
Для устранения этой проблемы были разработаны разнообразные конструкции – дифференциалы с повышенным внутренним сопротивлением (так называемые самоблоки) и дифференциалы с принудительной блокировкой, ручной или автоматизированной. В зависимости от конструкции и назначения они могут как изменять перераспределение потока мощности в пользу колеса с хорошим сцеплением с поверхностью, так и полностью замыкать дифференциал, заставляя колеса на оси вращаться с одинаковой скоростью. Разные типы таких дифференциалов мы рассмотрим в отдельных материалах.
При движении автомобиля в поворотах колёса ведущей оси проходят путь разной длины. Чтобы шины не проскальзывали, колёса должны вращаться с разными скоростями. Рассмотрим: что такое дифференциал и принцип его работы, какие бывают разновидности.
Что это такое?
Дифференциал - это механизм, позволяющий колёсам ведущей оси вращаться с разными скоростями и одинаковым, подводящимся к ним, крутящим моментом. В трансмиссии с одной ведущей осью дифференциал устанавливается между приводами колёс (межколёсный). В полноприводных авто он может находиться между ведущими осями (межосевой).Произведение силы тяги на радиус колеса даёт тот крутящий момент, который дифференциал должен передать на колёса. Когда сцепление с дорогой слабое или одно колесо вывешено, крутящий момент и сила тяги на колесе очень малы или отсутствуют, автомобиль не сможет продолжить движение. Это особенность дифференциала с коническими шестернями, получившего широкое распространение. Этот вид дифференциала называют симметричным, так как он поровну распределяет крутящий момент между колёсами.
Это происходит потому, что сателлит работает как равноплечий рычаг и передаёт только равные усилия к шестерням полуоси, а соответственно и к ведущим колёсам. Если одно из колёс имеет малое сцепление с дорожным покрытием, то эффективный крутящий момент на нём небольшой, соответственно симметричный дифференциал подведёт такое же усилие к другому колесу. То есть, если одно колесо буксует, сила тяги на втором равна нулю, что отрицательно сказывается на проходимости.
Для её улучшения на автомобилях применяют полную или частичную блокировку дифференциалов , степень которой оценивают коэффициентом блокировки.
Коэффициент блокировки (Кб) - соотношение крутящего момента на отстающем колесе к моменту на забегающем колесе. Его величина для симметричного дифференциала всегда равна 1, для дифференциалов повышенного трения от 1 до 5. Чем больше Кб, тем лучше проходимость автомобиля. То есть, при Кб = 3 момент на отстающем колесе будет в три раза больше, чем на буксующем. Но момент на колесе в эту секунду будет возможным от 20 до 70%, в зависимости от возможности блокирующего механизма.
Существует несколько видов дифференциалов.
Дифференциал с полной блокировкой
Принудительная блокировка дифференциала используется в основном на внедорожниках и грузовых машинах, для улучшения проходимости на бездорожье. Включается с помощью клавиши в салоне, по мере необходимости. Очень важно отключить блокировку при выезде на сухой грунт, во избежании поломки полуосей.
Пример - блокировка межосевого дифференциала на ВАЗ-2121. Приводится в действие водителем принудительно. Угловые скорости колёс здесь всегда равны, что противоречит условиям движения автомобиля по кривой, приводит к износу резины и ухудшению управляемости по твёрдому покрытию.
Вискомуфта
Вискомуфта – многодисковая муфта, в которой передаваемый момент возрастает с увеличением разности скоростей ведущего и ведомого валов. Используется в упрощенных системах постоянного полного привода и в качестве блокирующего механизма дифференциалов.Принцип работы вискомуфты основан на особых свойствах специальной силиконовой жидкости: при повышении температуры ее вязкость не понижается, как, например, у масла, а повышается. Вискомуфта представляет собой цилиндр, заполненный силиконовой жидкостью. Внутри его находится пакет из перфорированных дисков, соединенных через один соответственно с ведущим и ведомым валами.
В полноприводной трансмиссии при нормальных условиях движения валы вращаются примерно с одинаковой скоростью: входной – под действием крутящего момента от основного ведущего моста, а выходной вращают колеса, с которыми он соединен. При буксовании колес основного ведущего моста входной вал вращается быстрее выходного (машина практически стоит), жидкость нагревается от трения о диски, и муфта начинает передавать больший момент на выходной вал.
Существенный недостаток вискомуфты: на срабатывание муфты требуется время, а оптимальную ее характеристику трудно подобрать. Поэтому многие производители отказываются от применения вискомуфты в пользу управляемых электроникой многодисковых сцеплений.
Торсен
От англ. TORQUE - крутящий момент и «SENSING» - чувствительный, то есть чувствительный к крутящему моменту . Сателлиты расположены в корпусе перпендикулярно его оси, объединены между собой попарно с помощью прямозубого зацепления, а с полуосевыми шестернями связаны червячным зацеплением. В повороте полуосевая шестерня, связанная с отстающим колесом, поворачивает входящий с ней в зацепление сателлит, он, в свою очередь, вращает второй сателлит и шестерню полуоси.
Такой жесткой кинематической связью колёсам автомобиля обеспечивается возможность вращаться с разной скоростью. Силы трения, возникающие в червячном зацеплении от разности моментов на колёсах, осуществляют блокировку дифференциала. Недостаток конструкции – сложность изготовления, сборки агрегата в целом и ремонта.
Квайф
Сателлиты расположены в два ряда параллельно оси вращения корпуса. Причём они крепятся не на осях, а находятся в закрытых с обеих сторон отверстиях корпуса. Правый ряд сателлитов (их может быть от 3 до 5) входит в зацепление с правой шестерней полуоси, левый - с левой. Кроме того, сателлиты из разных рядов зацепляются между собой через один.
Когда одно из колёс начинает отставать, связанная с ним полуосевая шестерня начинает вращаться медленнее корпуса дифференциала и поворачивать входящий с ней в зацепление сателлит. Он передаёт движение связанному с ним сателлиту, а тот в свою очередь, на полуосевую шестерню. Так обеспечиваются разные обороты колёс в повороте.
Благодаря разности крутящих моментов на колёсах возникают силы трения, осуществляющие блокировку, что увеличивает силу тяги автомобиля, повышая его проходимость. Дифференциалы такого типа получили наибольшее распространение в тюнинге.
Прежде чем приступить к рассмотрению дифференциалов, их типов и нюансах работы, сначала мы с вами обратимся к теории. Для чего вообще нужен дифференциал на современных автомобилях и какой принцип его работы?
Дифференциал, как говорит теория, это механическое устройство с особым видом планетарной зубчатой передачи, разделяющий момент входного вала (в нашем случае карданного вала) между выходными валами (полуосями) автомобиля, передающий, момент силы с карданного вала на задние полуоси в заднеприводном варианте или непосредственно от двигателя сразу на полуоси в переднеприводном автомобиле так (дифференциал в расположен в КПП), что угловые скорости вращения этих полуосей могут быть разными по отношению друг к другу и колеса автомобиля проходят разный путь (например в повороте). Опять же, все из теории, во время прохождения поворота колеса автомобиля проходят по различным траекториям, а именно, по внутренней и внешней, отсюда соответственно получается, что колесо вращающееся по внешнему радиусу проделывает (пробегает) больший путь чем то колесо, которое вращается по внутреннему радиусу, а значит, что и скорость такого вращения колес будет разная, т.е. скорость колеса вращающегося (пробегающего) по внутреннему радиусу должна быть меньше той скорости колеса, которое вращается по внешнему радиусу.
В этом как-раз непосредственно и заключается главная задача дифференциала, т.е. правильно распределять скорости вращения валов на выходе и соответственно самих колес.
Предназначение дифференциала автомобилей:
- позволяет ведущим колёсам вращаться с разными угловыми скоростями;
- неразрывно передаёт крутящий момент от двигателя на ведущие колёса.
Основная проблема, появившаяся на заре автомобильной эры, была решена с помощью применения дифференциала, теперь повороты машине можно проходить более безопасно и без пробуксовки колес, а отсюда соответственно и без чрезмерной нагрузки на трансмиссию, на шины и на сами подшипники колес. Но зато появилось другое неудобство.
Простейший дифференциал имеет одну яркую "особенность", благодаря которой он категорически не подходит для сложных, экстремальных дорожных ситуаций.
Когда у ведущих колес 100% сцепление с дорогой, то все будет идти хорошо и дифференциал будет исполнять свою функцию просто идеально, но стоит одному из колес попасть в ситуацию когда оно (шина) потеряет сцепление с дорогой, или попадет на другой тип грунта или на лед, то начнет вращаться именно то колесо, которое потеряло сцепление, а противоположенное стоящее на более цепком грунте просто останется неподвижным.
Не вдаваясь в сами нюансы работы механизма можно просто констатировать факт, что дифференциал не меняет свой крутящий момент, он просто перераспределяет мощность между колесами и такая мощность будет всегда больше на том именно колесе, которое вращается быстрее. При пробуксовке колеса сопротивление его и крутящего момента будет минимальным, а значит чрезвычайно малым будет и крутящий момент передающийся с самого двигателя непосредственно на колесо, а значит и на противоположенном колесе этот крутящий момент будет ему соответствовать, то есть он будет минимальным.
В этой связи инженеры и автопроизводители большинства автокомпаний начали искать новое решение с этой проблемой. Появилось большое количество (различных видов устройств) дифференциалов. Основные виды таковых нам и хотелось бы освятить в данной статье. А также нам хотелось бы рассказать своим читателям и об основных преимуществах и конкретных недостатках тех или иных видов этих устройств, и еще, на каких современных автомобилях можно сегодня встретить тот или иной тип дифференциалов.
Свободный дифференциал (Open Differential).
Суть его работы.
Разделяет крутящий момент двигателя на две оси, каждая из которых способна вращаться с различной скоростью.
Недостатки.
При потери сцепления колеса с дорогой крутящий момент на противоположном колесе тоже снижается (падает). В худшем варианте, у застрявшего автомобиля одно колесо будет свободно вращается, в то время, как противоположенное с лучшим сцеплением не сможет просто передать поверхности (дороге) достаточно крутящего момента, чтобы сдвинуть автомобиль с места.
Современные системы управления тягой компенсируют это, путем применения тормозов к потерявшему сцепление колесу. Но данный подход к проблеме помогает лишь отчасти, более сложный дифференциал, как правило действует быстрее и он более эффективен, чем тот же стандартный тип такого механизма.
Устанавливается на большинство автомобилей у которых "отсутствуют претензии" на нехватку большой мощности (они достаточно мощные), или у которых "отсутствуют амбиции" к любому бездорожью (внедорожники), а также на семейные седаны, и т.д.
Блокируемый дифференциал (Locking Differential).
Как он работает.
При заблокированном дифференциале колеса машины будут постоянно вращаться с равными скоростями. В песке, в грязи и на снегу заблокированный дифференциал гарантирует, что крутящий момент продолжит поступать на колеса с более высокой тягой.
Недостатки.
В незаблокированном виде данный механизм ведет себя точно также, как и свободный дифференциал. Блокировка дифференциала на поверхности с высоким уровнем сцепных свойств, как например, на том же сухом асфальте, затрудняет поворачиваемость автомобиля и может нанести серьезный вред автомобильной трансмиссии.
На каких автомобилях его можно обнаружить.
Wrangler, ; опционально его можно поставить на большинство полноразмерных джипов и пикапов.
Самоблокирующийся дифференциал (Limited-slip Differential). Дифференциал повышенного трения.
Как он работает.
Самоблокирующийся дифференциал совмещает в себе две концепции,- свободную и блокируемую системы дифференциалов. Он способен функционировать большую часть времени как обычный дифференциал, а в нужный момент автоматически блокироваться, т.е. в тот момент, когда происходит проскальзывание одного из колес. Блокировка достигается за счет вязкостной муфты, или фрикционной муфты, или за счет сложной системы гидророторного типа. В военных автомобилях ставятся зубчатые или кулачковые самоблокирующиеся дифференциалы.
Недостатки.
Чисто механические дифференциалы повышенного трения являются реактивными. То есть, они не блокируются пока не произошла пробуксовка колеса.
На каких автомобилях его можно обнаружить.
со Sport пакетом (с вискомуфтой), (clutch-type), (helical gears).
Самоблокирующийся дифференциал с электронным управлением (Electronically Controlled Limited-slip Differential).
Как он работает.
Преимущества такого электронного управления в том, что повышается тяга в повороте и степень блокировки дифференциала можно настроить.
Например, если компьютер автомобиля определяет, что в повороте у него (автомобиля) избыточная поворачиваемость, то он может сильнее заблокировать дифференциал для того чтобы стабилизировать автомобиль.
Что такое дифференциал
Дифференциал — это устройство, распределяющее поток мощности от двигателя к другим элементам трансмиссии. В автомобиле с приводом на одну ось используется только один дифференциал, межколесный, в полноприводном их целых три — два межколесных и межосевой.
Рассмотрим для примера классический дифференциал (в отличие от блокируемых, его называют «открытым» или «свободным»). Он устанавливается в картере главной передачи и получает крутящий момент от её ведомой шестерни. В коробке дифференциала расположены конические шестерни-сателлиты. Они входят в зацепление с шестернями, закрепленными на полуосях, а те, в свою очередь, вращают ведущие колеса. При движении по ровной и прямой дороге угловые скорости колес одинаковы, и сателлиты не вращаются вокруг своей оси. Во время поворота или движения по неровностям, когда колеса правого и левого борта проходят разный путь, сателлиты начинают вращаться и перераспределять крутящий момент.
Главная передача заднего моста ВАЗ-2101: 1 – фланец карданного вала; 2 – сальник; 3 – маслоотражательное кольцо; 4 – передний подшипник ведущей шестерни; 5 – задний подшипник ведущей шестерни; 6 – регулировочное кольцо; 7 – опорное кольцо шестерни полуоси; 8 – шестерня полуоси; 9 – сателлит; 10 – палец сателлитов; 11 – ведомая шестерня главной передачи; 12 – коробка дифференциала; 13 – болт крепления стопора регулировочной гайки; 14 – стопор регулировочной гайки; 15 – подшипник коробки дифференциала; 16 – регулировочная гайка ведомой шестерни; 17 – болт крепления ведомой шестерни к фланцу коробки дифференциала; 18 – ведущая шестерня главной передачи; 19 – картер редуктора главной передачи; 20 – распорная втулка; 21 – шайба; 22 – гайка ведущей шестерни заднего моста.
Существует простая формула, отражающая связь между частотами вращения коробки дифференциала и полуосевых шестерен. Если через а1 и а2 обозначить частоты вращения полуосевых шестерен, а через а — частоту вращения коробки дифференциала, то: а = (а1+а2)/2 . Формула показывает, что если одно из колес автомобиля неподвижно, то другое колесо вращается с удвоенной частотой. Если одно из двух ведущих колес попадает на скользкую поверхность дороги (мокрый асфальт, масляные пятна, лед), сопротивление его вращению резко падает, уменьшается и сцепление с дорогой, а значит, колесо не в состоянии иметь необходимую силу тяги. Такое колесо начнет быстрее вращаться и пробуксовывать. К другому ведущему колесу, имеющему достаточное сцепление с дорогой, будет подводиться такой же крутящий момент, как и к буксующему. Имея возможность образовать большую силу тяги, второе колесо не сможет этого сделать потому, что дифференциал передаст ему только половину крутящего момента от главной передачи.
Если сопротивление движению автомобиля превысит силу тяги у небуксующего колеса, то машина не сможет двигаться. Частота вращения буксующего колеса резко возрастет, а второе колесо остановится. Возникнет буксование автомобиля. Попытка водителя повысить силу тяги на колесах за счет увеличения подачи топлива приведет только к увеличению частоты вращения одного из колес. В такой ситуации проявляется существенный недостаток обычного дифференциала, снижающего проходимость автомобиля как на скользких дорогах, так и на грунтах, оказывающих большое сопротивление качению колес (пeсок, снег, распутица).
Принудительная блокировка
На автомобилях, предназначенных для движения по бездорожью, приходится устанавливать дифференциалы специальных конструкций. Блокировки Часто применяют дифференциалы с принудительной блокировкой. В них водитель с помощью специального привода (чаще всего пневматического) останавливает на время вращение сателлитов, и колeca автомобиля начинают вращаться с одинаковой скоростью. Следует учесть, что автомобиль с заблокированным дифференциалом на извилистой дороге расходует больше топлива и у него происходит интенсивный износ шин, а значит, увеличивается цена эксплуатации автомобиля.
Как только взаимный поворот колес на общей оси с заблокированным дифференциалом будет больше, чем это допускает упругая деформация шин, произойдет буксование колес, продолжающееся до тех пор, пока какое-либо колесо на неровности не оторвется от дороги. Это говорит о том, что водитель не должен забывать выключать блокировку дифференциала после преодоления тяжелого участка. В ряде конструкций предусмотрена его автоматическая разблокировка или ограничение возможности включения блокировки по скорости.
Самоблокирующиеся дифференциалы
Для упрощения процесса управления применяются так называемые самоблокирующиеся дифференциалы. В настоящее время, в основном, используют четыре вида блокировок: дисковая (фрикционная, повышенного трения, LSD), вязкостная (вискомуфты) и винтовая (червячная). В самых современных разработках используются электронные системы контроля проскальзывания колес, основанные на применении датчиков вращения и использовании штатных тормозов (как правило, эти системы совмещаются с антиблокировочными и противопробуксовочными).
Дисковая блокировка
Существуют две наиболее характерные конструкции дифференциалов с фрикционными муфтами. В первом применяют одну, во втором — две муфты. В первом случае фрикционная дисковая муфта 1 введена между одной из полуосей и коробкой дифференциала. Бронзовые диски установлены в шлицах гильзы 2, связанной с коробкой дифференциала, стальные диски сидят на шлицах полуоси 3. Диски прижимаются друг к другу пружинами 4. Когда оба колеса испытывают одинаковое сопротивление, весь дифференциал вращается как одно целое и трение в муфте 1 отсутствует.
Вторая конструкция представляет из себя дифференциал повышенного трения с двойными фрикционными муфтами, получивший широкое распространение на американских автомобилях. В этой конструкции крестовина заменена двумя отдельными, пересекающимися под прямым углом осями 5 сателлитов 6. Оси 5 имеют возможность перемещаться одна относительно другой как в осевом, так и в угловом направлении, для чего их концы имеют скосы соответственно А и Б, которыми они опираются на коробку 9 дифференциала. Кроме того, в дифференциал введены промежуточные чашки 7, так же как и полуосевые шестерни, надетые на шлицы полуосей.
При невращающихся сателлитах усилие к полуосям передается как и в простом дифференциале. При вращении сателлитов последние будут сдвигать концевые скосы осей 5 так, что усилие на фрикционную муфту 8, передаваемое через чашку 7, будет увеличиваться для отстающей полуоси и уменьшаться для оси, вращающейся быстрее. При этом величина подтормаживающего момента не будет постоянной, как в дифференциале с одной дисковой муфтой, а будет пропорциональна моменту, передаваемому колесами.
Для нормальной работы такого дифференциала требуется использование специального трансмиссионного масла для LSD или соответствующих присадок к обычному маслу. Кроме того, со временем возникает необходимость регулировки из-за износа дисков.
Вязкостная блокировка
Принцип ее действия такой же, как у дисковой. Гидравлическая муфта состоит из большого числа дисков с липкими рабочими поверхностями. Благодаря свойствам особой вязкой жидкости на силиконовой основе отвердевать при нагреве диски передают крутящий момент в зависимости от разности частот вращения входных и выходных валов. Нагрев происходит, когда одна полуось начинает вращаться быстрее другой.
Характерной особенностью конструкции является то, что в случае длительного буксования колес блокирующая муфта с вязкой жидкостью работает вначале мягко, а затем происходит значительный рост эффективности блокировки. В затвердевшем силиконе диски получают жесткое зацепление и полуоси блокируются. Вискомуфты не требуют обслуживания и считаются весьма надежными, однако для их продолжительной работы необходимо сохранение полной герметичности устройства.
Винтовая блокировка
Принцип ее действия таков: в обычном режиме винты (или червяки, как их называют из-за характерной формы) свободно обкатываются вокруг центральной шестерни. В случае изменения момента винты проскальзывают в крайнее положение и фиксируются в эксцентричных пазах. Когда момент выравнивается, винты возвращаются в исходное положение. Момент срабатывания винтовых блокировок определяется профилем винтов. Такие дифференциалы мало подвержены износу (срок службы сопоставим со сроком коробки или классического дифференциала), а масло используется обычное трансмиссионное.
Кулачковая блокировка
Такая блокировка срабатывает при возникновении разности в скоростях вращения колес. Рассмотрим пример реализации дифференциала от компании Tractech. В корпусе дифференциала между парами корончатых шестерен установлены поворотные кулачки. В обычных условиях они не участвуют в работе, но, как только одно их колес начинает пробуксовывать (т.е., вращаться существено быстрее другого), кулачки поворачиваются и пары шестерен входят в зацепление, обеспечивая тем самым полную блокировку. Блокировка выключается, когда буксующее колесо прекратит проскальзывание. Этот тип дифференциалов также довольно долговечен и не требует специальных масел.
Особенности управления
Управление автомобилем, оборудованным самоблокирующимся межколесным дифференциалом имеет некоторые особенности. В частности, автомобиль в повороте на скользком покрытии может обладать избыточной поворачиваемостью, при слишком интенсивном разгоне на смешанном покрытии возможен увод в сторону от предполагаемой траектории и т.д. Особенно это касается разработок, предлагаемых в качестве дополнительного оборудования третьими фирмами. Однако грамотное использование свойств таких дифференциалов позволяет уверенно перемещаться в сложных дорожных условиях, и существенно повышает проходимость вне дорог.
Межосевой дифференциал и его блокировки
При отсутствии межосевого разделения мощности (межосевого дифференциала или отключающего механизма) необходимо отключить передний мост, чтобы стало возможно вращение передних и задних колес с разными угловыми скоростями. По условиям движения требуется, чтобы колеса как переднего и заднего мостов, так и колеса одного моста могли вращаться с разной частотой и проходить различные пути. Особенно характерно это для поворотов: передние колеса при повороте проходят большее расстояние, чем задние.
На изменение пути колес влияют различные факторы: скольжение шин, их углы увода, давление воздуха, нагрузка на колеса, кинематика подвески. При этом очевидно, что соотношение между путями, проходимыми колесами переднего и заднего мостов, также меняется во время движения. Это обстоятельство исключает возможность применения разных передаточных чисел в главных передачах мостов для компенсации разности проходимых путей.
Колеса разных осей автомобиля, кинематически жестко связанные одно с другим, имеют при вращении одинаковые угловые скорости. На твердой поверхности дороги при движении автомобиля с приводом на все колеса (при отсутствии межосевого дифференциала) могут возникнуть условия, при которых колеса разных осей будут стараться двигаться с различными линейными скоростями, а жесткая мехаческая связь между ними станет преградой к достижению этого. При прямолинейном движении описанное явление может быть вызвано, например, разностью радиусов качения связанных между собой колес. Качение колес в этом случае должно сопровождаться относительным перемещением точек площадки контакта шины по поверхности дороги (со скольжением или буксованием).
Подобное же возможно и при одинаковых радиусах качения, но при движении по дороге с неровной поверхностью или на повороте. Возникающее в этих условиях скольжение или 6yксовaние шин сопровождается увеличеным их износом, износом механизмов трансмиссии и непроизводительной затратой энергии двигателя на движение автомобиля. Для того чтобы колеса катились без вредных сопровождающих явлений в трансмиссии, кроме дифференциалов межколесных устанавливают дифференциалы межосевые.
Однако, в условиях внедорожного движения автомобиль может лишиться подвижности в тот момент, когда колеса одного из мостов потеряют сцепление с дорогой и начнут буксовать. В такой ситуации дифференциал обычного типа будет не в состоянии передать требуемую для движения величину крутящего момента задним колесам, опирающимся на твердый грунт. Для избежания этого на внедорожниках устанавливают межосевые дифференциалы с принудительной блокировкой. Примером подобного конструктивного решения может служить «Нива» ВА3-2121, оснащенная раздаточной коробкой с принудительно блокируемым межосевым дифференциалом.
Блокировкой пользуется водитель автомобиля для преодоления труднопроходимого участка дороги. При возвращении на шоссе межосевой дифференциал необходимо разблокировать. В современных конструкциях, кроме механического, применяются и другие приводы (пневматический, гидравлический, электрический), при этом сам процесс включения сводится к простому нажатию кнопки на панели.
Следующим шагом стало появление самоблокирующихся межосевых дифференциалов. Принципы их работы сходны с межколесными, но условия и задачи несколько другие. Так, при поворотах машины забегающим относительно корпуса дифференциала всегда будет вал, передающий момент на управляемую ось, что определяется кинематикой поворота машины с колесной формулой 4х4. Исходя из этого, при забегании приводного вала управляемого моста коэффициент блокировки желательно иметь невысоким, а при забегании (буксовании) неуправляемого моста — несколько большим. Такой дифференциал называют самоблокирующимся с несимметричными блокирующими свойствами.
В настоящее время на легковых внедорожниках широко используются межосевые дифференциалы с автоматической блокировкой с помощью гидравлической муфты с вязкой жидкостью. Они обеспечивают оптимальную силу тяги во всех условиях движения, в связи с чем отпадает необходимость в принудительной блокировке. Есть у них и другие преимущества. Этот узел предохраняет трансмиссию от перегрузки, которая может возникнуть, например, при внезапном ударе колеса.
Дифференциал, автоматически блокирующийся гидравлической муфтой с вязкой жидкостью, чутко реагирует на состояние дорожной поверхности и обеспечивает более равномерную скорость автомобиля, а также уменьшает вероятность его застревания. При торможении межосевой дифференциал такого типа предотвращает блокировку колеса одного моста относительно колеса другого, приводящую к потере устойчивости. К тому же перераспределение избыточной тормозной силы с одной пары колес на другую значительно сокращает тормозной путь и сохраняет полный контроль над машиной.
Рассмотрим, как работает автоматически блокируемый межосевой дифференциал фирмы GKN с гидравлической муфтой. Изменение момента трения в ней рассчитано так, чтобы при маневрировании на поверхности с хорошими сцепными свойствами (асфальт, бетон и т.д.) имелся малый момент трения между выходными валами. С ростом разности частот их вращения трение между звеньями муфты значительно возрастает. Блокировка с помощью муфты с вязкой жидкостью происходит точно в соответствии с распределением крутящего момента в межосевом дифференциале.
Испытания подтвердили, что распределение моментов между передними и задними колесами обеспечивает почти нейтральную поворачиваемость автомобиля. По легкости вождения и безопасности полноприводные автомобили с таким приводом превосходят даже переднеприводные легковые автомобили. Однако, при всех достоинствах такого рода блокировки, необходимо отметить, что фактическое включение блокировки после начала пробуксовки колес, характерное для вискомуфты, существенно снижает шансы на успешное преодоление серьезных внедорожных препятствий в виде слабого грунта, грязи или снега, поскольку буксующее колесо способно быстро зарываться. В результате возможностей автомобиля даже с заблокированным межосевым дифференциалом может оказаться недостаточно для самостоятельного выезда.
Подключаемый передний мост
Очень многие производители внедорожников используют схему с подключаемым передним мостом (так называемый part time 4WD). В этом случае межосевой дифференциал, как правило, отсутствует, и в режиме полного привода между мостами устанавливается жесткая кинематическая связь. Производители рекомендуют подключать передний мост только в сложных дорожных условиях, когда колеса склонны к пробуксовке.
Продолжительное движение в таком режиме по дорогам с твердой поверхностью вызывает повышенный износ шин и трансмиссии (в частности, в раздатках с цепной передачей перегружается цепь), повышенный расход топлива, а также ухудшает управляемость на высоких скоростях. Для избежания этих отрицательных последствий многие контрукции предусматривают не только отключение переднего моста, но и отсоединение передних колес от полуосей.
Для этого применяются колесные хабы (муфты свободного хода), которые могут быть автоматическими и ручными, рассоединение полуосей при помощи электрического или пневматического привода и т.д.
Об авторе: admin
Многие, кто собрался приобретать внедорожник, при выборе определённой модели, конечно могли столкнуться с термином «блокировка дифференциала». Но что это? Как это? И каков принцип работы и надобность этого самого дифференциала? Как показывает практика, знают не все будущие потенциальные «джиповоды».
В этой статье мы расскажем о том, что из себя представляет дифференциал и зачем он в автомобиле. Каких разновидностей он бывает и на какие автомобили предусмотрена его установка?
История дифференциала
Появление дифференциала в автомобильном мире не заставило себя ждать. Спустя лишь несколько лет, после того, как с конвейера стали сходить первые автомобили с двигателем внутреннего сгорания (ДВС). Давно ведь дело обстояло не так сладко, как сейчас и первые автомобильные образцы, которые работали при помощи двигателя, очень плохо управлялись.
Колёса, расположенные на одной оси, во время поворота вращались с одинаковой угловой скоростью, а это уже приводило к тому, что колесо, идущее по внешнему диаметру, сильно пробуксовывало. Решили эту проблему достаточно просто: заимствованием дифференциала у паровых повозок.
Этот механизм был изобретён во Франции в 1828 году инженером Оливером Пекке-Ром. Это было устройство, которое состояло из валов и шестерней. Через него крутящий момент от ДВС передавался на ведущие колёса.Но вот случилась ещё одна незадача – стали пробуксовывать колёса, которые утрачивали сцепление с дорожным покрытием. Зачастую это проявлялось во время движения по дороге с обледенелыми участками.
Колесо, которое находилось на льду, вращалось с большей скоростью, чем колесо, что оставалось на более пригодной для движения поверхности. Это и приводило к заносу. После конструкторы и стали думать о том, как настроить дифференциал, чтобы колёса вращались с одинаковой скоростью, дабы воспрепятствовать появлению заносов.
Первым человеком, проводившим эксперименты над дифференциалом с минимальным проскальзыванием, стал ни кто иной как Фердинанд Порше. Для того, чтобы рынок повидал кулачковый дифференциал – «детище» Порше с ограниченным проскальзыванием, потребовалось не менее трёх лет. Им оснащали первые модели автомобилей марки . В следующие десятилетия инженерами были разработаны разнообразные виды дифференциалов, о которых мы расскажем Вам далее.
Принцип работы и устройство
Давайте, пожалуй, начнём с типа дифференциала, который является самым простым для рассмотрения – открытого дифференциала. Мы начнем с простейшего типа дифференциала, называемого открытым дифференциалом. Итак, конструкция дифференциала включает в себя следующие части:
- Ведущий вал. Его задача заключается в передаче крутящего момента. Вал ведёт его от трансмиссии к самому началу дифференциала.
- Ведущая шестерня ведущего вала. Шестерня в форме косозубого конуса, необходимая для сцепки дифференциальных механизмов.
- Коронная шестерня. Элемент, являющийся ведомым. Так же имеет форму конуса и вращается ведущей шестернёй. Система вместе взятых ведущей и ведомой шестерней называется главной передачей. Она служит на завершающем этапе по уменьшению скорости вращения, которое достигает колёс в конечном счёте. Ведущая шестерня в своих размерах гораздо уступает коронной , поэтому для осуществления одного оборота ведомой, первой необходимо совершить не один оборот вокруг своей оси.
- Шестерни полуосей. Являются последним рубежом передачи вращения ведущего вала колёсам.
- Сателлиты – это планетарный механизм, осуществляющий ключевую роль в обеспечении разной угловой скорости колёс при осуществлении поворота.
Когда Вы двигаетесь по прямой на своём автомобиле, то весь дифференциальный механизм вращается с единой скоростью: входной вал вращается с идентичной скоростью, что и полуоси, соответственно, с той же скоростью происходит и вращение самих колёс.
Но только Вы повернёте руль, ситуация моментально в корне изменяется. Главными игроками теперь выступают сателлиты, которые разблокировываются под воздействием разности нагрузок на колёса
, когда, например, одно колесо начинает пробуксовывать и поэтому движется быстрее.
Вся мощность мотора проходит непосредственно через них. А в результате того, что сателлиты представляют из себя две шестерни, которые независимы, то происходит передача разной частоты вращения двум полуосям. Но мощность не разделяется поровну, а передаётся на колесо, что движется во внешнем крае поворота машины . Следовательно оно и начинает крутиться гораздо быстрее за счёт количественного прибавления оборотов. И разность в распределении мощностей между колёсами тем больше, чем меньше радиус поворота автомобиля, то есть чем сильнее Вы выворачиваете рулевое колесо.
Что такое блокировка дифференциала и как она работает
Блокировка дифференциала – это один из эффективнейших способов повышения внедорожных характеристик автомобиля. Любой автомобиль, который предназначается напрямую или косвенно для бездорожья, оснащается конструкторами на заводе механизмом, который блокирует межосевой дифференциал. Так же автомобили оснащают механизмами, блокирующими передний и задний мосты.
Блокировка данного механизма, как и любое технологическое решение имеет свои преимущества и недостатки. Чтобы понять, когда необходимо использовать блокировку дифференциалов, а какие случаи просто запрещают её использование, нужно разобраться в принципах, на которых её действие основывается.
Попробуйте в зимнее заснеженное время совершить с места прыжок в длину. Ага. А вот и не получается, а всё потому, что одна нога у вас оказалась на скользкой оледенелой поверхности, а вторая на сухом асфальте. Вот из-за этого и не получилось совершить чемпионский прыжок. Одна нога выскользнула из под Вас, а мозг не сориентировался вовремя и не дал команду вложить всю силу для толчка в другую ногу. Итог этого эксперимента достаточно весел и комичен: ноги разъехались и Вы чуть не рухнули на пятую точку.
Так что же сделать в данном случае, чтобы обе ноги возымели возможность прекрасно оттолкнуться от земли? А всё очень и очень просто. Необходимо просто две толчковые ноги превратить в одну, связав их прочно между собой прочным ремнём или жгутом. Теперь они будут работать, как одно целое и будет использоваться максимальная сила толчка от одной стабильной опорной поверхности с хорошим сцеплением. Аналогичный процесс происходит и в автомобиле в момент взаимодействия его ведущих колёс с дорогой.
Давайте представим ситуацию при которой заднеприводный автомобиль остановился случайным образом так, что его левое колесо оказалось на скользкой поверхности, а правое на асфальте. Как Вам известно, стандартный межосевой дифференциал малого трения
, который находится на заднем мосту автомобиля, всегда предоставляет колёсам равную окружную силу. Левое колесо, находящееся на льду, не в состоянии сдвинуться со скользкой поверхности с применением больших усилий в силу недостаточности сцепления.
И-за этого дифференциал не в состоянии предоставить ему огромное усилие, так как это просто невозможно физически. А в этом случае аналогичная сила подведётся и к колесу , которое находится на асфальтированной поверхности. Он выровняет усилия, которые распределены между колёсами, ориентируясь на левое колесо.
В результате машина сдвинется с места с пробуксовкой, но медленно. Его колёса не смогут использовать достаточную для толчка силу, которая была бы необходима для сцепления правого колеса, которая в данных условиях будет ни много, ни мало, а в целых семь раз превышающую чем у левого. Из-за такого свойства распределять тяговую силу поровну, правое колесо будет использовать лишь седьмую часть его возможностей сцепления с асфальтом. Говоря проще, толчок мог бы случиться в семь раз мощнее, но дифференциалом не было подведено к нему достаточного количества силы для совершения этого манёвра.
Следовательно необходимо осуществить такую связь между колёсами, для обеспечения совместного вращения или пробуксовки, буд-то бы единого колеса. Для решения данной задачи используется специальный механизм, блокирующий вращение шестерней дифференциала и связывающий два колеса между собой условной жёсткой связью с постоянным вращением и одинаковой скоростью. Такой механизм называется «механизм блокировки (отключения) дифференциала», или в простонародье – блокировкой.
Дифференциал, что заблокирован не в состоянии выравнивать межколёсное усилие, тем самым делая их связанными единой осью. В результате чего каждое колесо получает максимально возможную силу, которая нужна для наилучшего сцепления колёс. Следовательно, где лучше сцепление колёс с дорожной поверхностью, туда и будет прилагаться большая сила.
Какие бывают дифференциалы
Основой дифференциала является планетарный редуктор. Вид зубчатой передачи, который используется, условно может разделить дифференциал на три вида:
- Червячный;
Цилиндрический;
Конический.
Червячный дифференциал является самым универсальным и устанавливается как между осями, таки между колёсами. Цилиндрический тип, зачастую, располагается во внедорожниках меж осей. Конический тип в основном применяется в качестве межколёсного дифференциала.
Выделяют так же симметричный и несимметричный дифференциалы. Несимметричная конструкция дифференциала устанавливается в полно приводных автомобилях между осями, распределяя крутящий момент в различных пропорциях. Симметричный тип передаёт на ось между двумя колёсами равный крутящий момент. Так же дифференциалы разделяют по виду блокирования: ручная блокировка и электронная блокировка.
Ручная блокировка дифференциала
Исходя из названия, блокировка дифференциала оси включается по инициативе водителя с помощью нажатия кнопки или переключения определённого тумблера. В данном случае происходит блокировка шестерней-сателлитов, в результате чего ведущие колёса начинают вращаться с одинаковой скоростью. Зачастую ручной блокировкой дифференциала оснащаются внедорожники. Включать её рекомендуется для преодоления тяжёлого бездорожья, а отключение производить при выезде на обычную асфальтированную дорогу.
Электронная или автоматическая блокировка дифференциала
Автоматическое блокирование дифференциала осуществляется путём команд электронного блока управления, который анализирует состояние, в котором находится дорожное покрытие, используя ABSи ESP. Затем ЭБУ самостоятельно блокирует шестерни-сателлиты. По степени блокирования это устройство можно условно подразделить на дифференциал с полной и частичной блокировками.
Полная блокировка дифференциала
Включение такой блокировки подразумевает под собой тот факт, что шестерни-сателлиты останавливаются полностью, а механизм берётся за выполнение функций обычной муфты, тем самым передавая равностепенный крутящий момент на две полуоси. Вследствие этого оба колеса вращаются с одинаковой угловой скоростью. Если случится то, что хотя бы одно колесо потеряет сцепление с поверхностью, то крутящий момент с него в полной мере передаётся на другое колесо, которое осталось форсировать бездорожье. Такое дифференциальное устройство успешно реализовано на Toyota Land Cruiser, Mercedes-Benz G-Class и других.
Частичная блокировка дифференциала
Включение этой блокировки не полностью останавливает шестерни-сателлиты, а позволяет им проскальзывать. Такой эффект доступен благодаря самоблокирующимся дифференциалам. В зависимости от типа срабатывания данного механизма, делят его на два вида: Speed sensitive (задействуется, когда замечается разница в угловых скоростях вращения полуосей) и Torque sensitive (задействуется в случае уменьшения крутящего момента одной полуоси).Такой тип срабатывания дифференциального устройства можно встретить на внедорожниках Mitsubishi Pajero, Audi Q-серии и BMW X-серии.
Группа дифференциалов Speed sensitive
различается строением конструкции. Одним из таких механизмов является тот, в котором дифференциальную функцию выполняет вискомуфта. Вискомуфта отличается от фрикционного дифференциала своей меньшей надёжностью. Именно из-за этого она имеет место устанавливаться на автомобили, которые не предназначены для преодоления непролазных дебрей и глубоких бродов или на автомобили со спортивным характером.
Ещё один механизм представляющий группу Speed sensitive называется героторный дифференциал. Роль блокирующих элементов здесь играют масляный насос и фрикционные пластины, монтируемые между корпусом дифференциала и шестернями-сателлитами полуосей. Хотя по принципу действия он схож с вискомуфтой.
Дифференциалы, которые относятся к группе Torque sensitive , также различны по своей конструкции. Например есть механизм с использованием фрикционного дифференциала. Особенность его заключается в разности угловых скоростей колёс в поворотах и при движении по прямой. Когда автомобиль движется по прямой, угловая скорость вращения обоих колёс одинакова, а во время прохождения поворота, крутящий момент для колёс различен.
Очередной тип дифференциалов - с гипоидным и косозубым зацеплением. Они условно подразделяются на три группы.
Первая – с гипоидным зацеплением
Здесь каждая полуось имеет свои собственные шестерни-сателлиты. Крепятся они между собой путём прямозубого зацепления, располагаясь перпендикулярно друг относительно друга. В случае возникновения разницы угловых скоростей ведущих колёс, происходит расклинивание шестерней полуосей. В результате чего шестерни трутся о корпус дифференциала. Дифференциал частично блокируется и происходит перераспределение крутящего момента на ось, с меньшей скоростью углового вращения. После выравнивания полуосевых скоростей, блокировка деактивируется.
Вторая
– с косозубым зацеплением
Аналогична первой, но расположение шестерен-сателлитов параллельно относительно полуосей. Эти агрегаты крепятся между собой путём косозубого зацепления. Сателлиты этого механизма вмонтированы в специальные ниши на корпусе дифференциала.Когда наблюдается различие в угловой скорости колёсного вращения, шестерни расклиниваются и сопрягаются с шестернями, что находятся в нишах дифференциального корпуса. Происходит частичная блокировка. Направление крутящего момента определяется на ось с меньшей скоростью вращения.
Третья – с косозубыми шестернями полуосей и винтовыми шестернями сателлитов
Используется в межосевых дифференциалах. Принцип тот же – смещение крутящего момента на ось с меньшим вращением. Диапазон смещения этого вида достаточно велик - от 65/35 до 35/65. Когда угловая скорость колёсного вращения обоих осей стабилизируется и выравнивается, дифференциал разблокировывается. Эти дифференциальные группы широко применяются в автомобилестроении как на обычных моделях, так и на спортивных.
Преимущества и недостатки блокировки дифференциалов
+ возможность колёсного блокирования до 70%;
Минимальное обслуживание;
Отсутствие рывков на руле;
КПП не требует заливания специального масла;
Установка не влечёт никаких сложностей;
Обеспечение лучших внедорожных характеристик автомобиля;
Более длительный срок работы конструкции;
Лучшая управляемость автомобиля;
Способность прохождения поворотов на более высоких скоростях;
Автомобиль легче выводится из заноса.
По истечению времени падает преднатяг;
Требуется замена регулировочных элементов каждые 40 тысяч километров для лучшей работоспособности конструкции;
Не своевременное или запоздалое проведение регулировочных работ приведут к тому, что система будет работать не корректно.
Подписывайтесь на наши ленты в