Термин «блокировка дифференциала», или «самоблокирующейся дифференциал» (самоблок), слышали многие автомобилисты, а вот как этот процесс выглядит на практике, знают лишь некоторые. И если раньше такой «опцией» автопроизводители оборудовали преимущественно внедорожники, то сейчас ее можно встретить и на вполне городском автомобиле. Кроме того, зачастую владельцы машин не оборудованных самоблоками, поняв, какую пользу они приносят, устанавливают их самостоятельно.
Но прежде чем разбираться с тем, как работает самоблокирующийся дифференциал, нужно понять, как он функционирует без блокировки.
Что такое дифференциал
Дифференциал (дифф) по праву можно считать одним из главных элементов конструкции трансмиссии автомобиля. С его помощью происходит передача, изменение, а также распределение выдаваемого двигателем крутящего момента между парой потребителей: колесами, расположенными на одной оси машины или же между ее мостами. Причем сила потока распределяемой энергии при необходимости может быть различной, а значит, и скорость вращения колес - разной.
В трансмиссии автомобиля дифф может быть установлен: в картере КПП и в раздаточной коробке, в зависимости от устройства привода(ов).
Те диффы, которые установлены в мосту или КПП, называются межколесными, а который находится между осями машины, соответственно - межосевым.
Назначение дифференциала
Как известно, автомобиль во время движения совершает различные маневры: повороты, перестроения, обгоны и т. д. Кроме того, поверхность дороги может содержать неровности, а это значит, что колеса автомобиля, в зависимости от ситуации, в одно и то же время могут проходить различное расстояние. Поэтому, например, при повороте, если скорость вращения колес на оси будет одинаковой, то одно из них неминуемо станет пробуксовывать, что приведет к ускоренному износу покрышек. Но это не самое страшное. Гораздо хуже то, что у транспортного средства значительно снижается управляемость.
Вот для решения подобных проблем и придумали дифференциал - механизм, который будет перераспределять энергию, поступающую от двигателя, между осями автомобиля в соответствии с величиной сопротивления качению: чем оно меньше, тем больше будет скорость вращения колеса, и наоборот.
Механизм дифференциала
На сегодняшний день существует множество разновидностей диффов, и их устройство довольно сложное. Однако принцип работы в целом одинаков, поэтому будет проще для понимания рассмотреть самый простой тип - открытый дифференциал, который состоит из следующих элементов:
- Шестеренок, закрепленных на полуосях.
- Ведомой (коронной) шестерни, выполненной в виде усеченного конуса.
- Ведущей шестерни, закрепленной на конце ведущего вала, которая в совокупности с коронной образует главную передачу. Так как ведомая шестерня по размерам больше ведущей, то последней придется сделать несколько оборотов вокруг своей оси, прежде чем коронная выполнит только один. Следовательно, именно эти два элемента дифференциала снижают величину энергии (скорости), которая в итоге дойдет до колес.
- Сателлитов, которые образуют играющий ключевую роль в обеспечении необходимой разности в скорости вращения колес.
- Корпуса.
Как работает дифференциал
Во время прямолинейного движения автомобиля его полуоси, а значит, и колеса, вращаются с такой же скоростью, как и ведущий вал со своей косозубой шестерней. Но во время поворота воздействующая нагрузка на колеса становится различной (одно из них пытается крутиться быстрей), и за счет этой разницы освобождаются сателлиты. Теперь энергия двигателя проходит через них, а так как пара сателлитов - это две отдельные, независимые шестерни, то к полуосям передается разная по величине частота вращения. Таким образом, мощность, вырабатываемая двигателем, распределяется между колесами, но неравномерно, а в зависимости от действующей на них нагрузки: то, что двигается по внешнему радиусу, испытывает меньшее сопротивление качению, поэтому дифф передает на него больше энергии, раскручивая быстрее.
Разницы в том, как работает межосевой дифференциал и межколесный, нет: принцип действия аналогичен, только в первом случае распределенный крутящий момент направлен к осям автомобиля, а во втором - к его колесам, расположенным на одной оси.
Потребность в межосевом диффе особенно становится заметна во время движения машины по пересеченной местности, когда ее вес давит на ту ось, которая находится ниже другой, например, на подъеме или спуске.
Проблема дифференциала
Несмотря на то что дифференциал, безусловно, играет большую роль в конструкции автомобиля, его работа иногда создает проблемы для водителя. А именно: когда одно из колес оказывается на скользком участке дороги (грязи, льду или снегу), то другое, находящееся на более твердом грунте, начинает испытывать повышенную нагрузку, дифф старается это исправить, перенаправляет энергию двигателя на скользящее колесо. Таким образом, выходит, что оно получает максимальное вращение, в то время как другое, имеющее плотное сцепление с грунтом, попросту остается неподвижным.
Вот именно для решения подобных проблем была придумана блокировка (отключение) дифференциала.
Принцип блокировки и ее виды
Поняв принцип работы дифференциала, можно заключить, что если заблокировать его, то увеличится крутящий момент на том колесе или оси, которое имеет лучшее сцепление. Это можно сделать, если соединить его корпус с одной из двух полуосей или же остановить вращение сателлитов.
Блокировка может быть полной - когда части дифференциала соединяются жестко. Осуществляется, как правило, при помощи кулачковой муфты и управляется водителем через специальный привод из кабины автомобиля. Или же она может быть частичной, в этом случае на колеса передается только ограниченное усилие - так работает самоблокирующийся дифференциал, которому участие человека не требуется.
Как работает самоблокирующийся дифференциал
Самоблокирующийся дифференциал, по сути, представляет собой компромисс между полным блоком и свободным диффом и позволяет снизить пробуксовку колес машины в случае возникновения между ними разницы в коэффициенте сцепления с грунтом. Таким образом, значительно повышается проходимость, управляемость на бездорожье, а также динамика разгона автомобиля, причем независимо от качества дороги.
Самоблок исключает полную блокировку колес, что защищает полуоси от критических нагрузок, которые могут возникнуть на дифференциалах с принудительным выключением.
Блокировка с полуосей снимается автоматически, если при прямолинейном движении скорости вращения колес выравнивается.
Самые распространенные типы самоблоков
Дисковый самоблок - это набор фрикционных (трущихся) дисков, установленных между корпусом диффа и шестерней полуоси.
Понять, как работает дифференциал с таким блоком, несложно: пока машина едет по прямой, корпус диффа и обе полуоси крутятся вместе, как только в скоростях вращения появляется разница (колесо попало на скользкий участок), между дисками возникает трение, снижающее ее. То есть колесо, оставшееся на твердом грунте, продолжит вращаться, а не остановится, как в случае свободного дифференциала.
Вискомуфта, или иначе вязкостная муфта, так же как и предыдущий дифф, содержит два пакета дисков, только на этот раз перфорированных, установленных между собой с небольшим зазором. Одна часть дисков имеет сцепление с корпусом, другая - с валом привода.
Диски, помещены в емкость, заполненную кремнийорганической жидкостью, которая при равномерном их вращении остается в неизменном состоянии. Как только между пакетами появляется отличие в скорости, жидкость начинает быстро и сильно густеть. Между перфорированными поверхностями возникает сопротивление. Чересчур раскрутившийся пакет таким образом притормаживается, и скорость вращения выравнивается.
Зубчатый (винтовой, червячный) самоблок. Его работа базируется на способности червячной пары расклиниваться и тем самым блокировать полуоси при возникновении на них разницы в крутящих моментах.
Кулачковый самоблок. Чтобы понять, как работает дифференциал такого типа, достаточно представить открытый дифф, в котором вместо планетарного шестеренчатого механизма установлены зубчатые (кулачковые) пары. Кулачки проворачиваются (перескакивают), когда скорости вращения колес практически одинаковы, и жестко блокируются (заклиниваются), как только какое-то из них начинает пробуксовывать.
Разницы в том, как работает блокировка межосевого дифференциала и межколесного, нет - принцип действия одинаков, отличия только в конечных точках: в первом случае - два моста, во втором - два колеса, установленных на одной оси.
Отечественная «Нива» и ее дифференциалы
В линейке отечественных ВАЗов «Нива» занимает особенное место: в отличие от своих «родственников» по конвейеру, эта машина оборудована не выключаемым полным приводом.
В трансмиссии ВАЗовского внедорожника установлено три дифференциала: межколесные - в каждом мосту, и межосевой - в раздатке. Несмотря на такое количество, разбираться заново в том, как работают дифференциалы на «Ниве», не придется. Все точно так же, как описывалось выше. То есть, во время прямолинейного движения машины, при условии отсутствия пробуксовок на колесах, тяговое усилие между ними распределено равномерно и имеет одинаковую величину. Когда какое-то из колес начинает буксовать, то вся энергия от двигателя, пройдя через диффы, направляется к этому колесу.
Блокировка дифференциалов «Нивы»
Прежде чем говорить о том, как работает блокировка дифференциалов на «Ниве», следует отметить один момент, а именно уточнить назначение передней (маленькой) ручки раздаточной коробки.
Некоторые водители полагают, что с ее помощью у машины включается передний привод - это не так: и передний, и задний приводы у «Нивы» задействованы всегда, а этой ручкой осуществляется управление дифференциалом раздатки. То есть пока она установлена в положении «вперед», дифф работает в штатном режиме, а когда «назад» - отключается.
А теперь непосредственно о блокировке: при выключении дифференциала валы раздаточной коробки замыкаются между собой муфтой, тем самым принудительно выравнивая скорости их вращения, то есть суммарная скорость колес передней оси приравнивается к суммарной скорости задней. Распределение тяги происходит в сторону большего сопротивления. Допустим, буксует заднее колесо, если включить блокировку, тяговое усилие уйдет на переднюю ось, колеса которой вытянут машину, но если одновременно с задним забуксует и переднее колесо, то самостоятельно «Нива» уже не выберется.
Чтобы такого не случалось, автолюбители в мосты устанавливают самоблоки, которые помогут вытянуть застрявшую машину. На сегодняшний день самым популярным среди владельцев «Нивы» является дифференциал Нестерова.
Самоблок Нестерова
Именно в том, как работает дифференциал Нестерова, и заключен секрет его популярности.
Конструкция дифа позволяет не только оптимально регулировать колес машины при совершении маневров, но и в случае пробуксовок или вывешивании колеса устройство отдает ему минимальное количество энергии от двигателя. Причем реакция самоблока на изменение дорожной ситуации практически мгновенная. Кроме того, дифференциал Нестерова значительно улучшает управляемость машины даже на скользких поворотах, повышает курсовую устойчивость, повышает динамику разгона (особенно в зимний период), снижает расход горючего. А монтаж устройства не требует никаких изменений в конструкции трансмиссии и устанавливается точно так же, как классический дифф.
Дифференциал нашел применение не только в автомобильной технике, он оказался весьма полезен и на мотоблоках, значительно облегчив жизнь его владельцам.
Дифференциал для мотоблока
Мотоблок - агрегат довольно тяжелый, и, чтобы его просто повернуть, требуется немало усилий, а при нерегулируемой угловой скорости вращения колес это становится еще сложнее. Поэтому владельцы этих машин, если диффы не предусматривались изначально конструкцией, приобретают и устанавливают их самостоятельно.
Как работает дифференциал мотоблока? По сути, он лишь обеспечивает легкий разворот машины, останавливая одно из колес.
Другая его функция никак не связанная с перераспределением мощности - это увеличение базы колес. Конструкция дифференциала предусматривает его использование как удлинителя осей, что делает мотоблок более маневренным и устойчивым к опрокидываниям, особенно на поворотах.
Словом, дифференциал - вещь весьма полезная и незаменимая, а его блокировка в разы повышает проходимость автомобиля.
Дифференциал - механизм распределения крутящего момента входного вала между двумя выходными полуосями ведущих колес или, на автомобилях повышенной проходимости,для распределения крутящего момента между передней и задней ведущими осями.
Это часть трансмиссии, которая на автомобилях классической и переднеприводной компоновки обычно выполняется в виде единого блока с главной передачей ,а на внедорожниках встраивается в раздаточную коробку
Свободный дифференциал всегда делит поступающий на него крутящий момент поровну - не зависимо от того, с равными или с разными скоростями вращаются ведущие колеса (или ведущие оси).
Назначение дифференциала
При движении автомобиля по криволинейным участкам дороги - например, в поворотах - колеса ведущей оси катятся по окружностям разной длины. Внешнее (по отношению к центру поворота автомобиля) колесо проходит больший путь, чем внутреннее. Эта разница тем больше, чем круче поворот. Аналогичная проблема возникает и в движении по прямой, если используются ведущие колеса разной размерности и т.п. Если в этих ситуациях колеса соединить жесткой осью,окажется, что одно колесо вращается быстрей, чем нужно для прохождения заданной траектории,а другое медленней. Значит, оба колеса будут пробуксовывать, испытывать повышенные нагрузки, сильней нагреваться и изнашиваться. Увеличится и расход топлива. Наконец, это нарушает курсовую устойчивость автомобиля и ведет к его заносу или сносу - особенно, на скользких дорогах.
Для компенсации разницы проходимого ведущими колесами пути используется особый механизм - дифференциал. Простейший, свободный дифференциал уравнивает крутящие моменты (или тяговые силы) обоих ведущих колес, и если скорости их вращения (или линейного движения) разные, то и мощности на них пропорциональны этой разнице. Колесо, вращающееся быстрей, тратит на это несколько большую мощность, чем то, которое вращается медленней.
Таким образом дифференциал предназначен для обеспечения вращения ведущих колес с разными угловыми скоростями при постоянно передаче крутящего момента на оба колеса ведущей оси. Эта же логика присутствует и в работе межосевого дифференциала.
Устройство и принцип действия
Дифференциал классической конструкции устроен просто. Например, на заднеприводном автомобиле вращение от ведомого вала коробки передач передается через карданный вал на ведущую коническую шестерню главной передачи, которая находится в постоянном зацеплении с ведомой шестерней главной передачи. Ведомая шестерня является одновременно корпусом дифференциала, в котором перпендикулярно оси ведомой шестерни закреплена ось сателлитов - малых конических шестерен. Последние вращаются вместе с корпусом дифференциала относительно оси ведомой шестерней главной передачи. Сателлиты находятся в постоянном зацеплении с коническими шестернями левой и правой полуосей ведущих колес.
При прямолинейном движении автомобиля сателлиты относительно собственной оси не вращаются. Но каждый, подобно равноплечему рычагу, делит крутящий момент ведомой шестерни главной передачи поровну между шестернями полуосей.
Когда автомобиль движется по криволинейной траектории, внутреннее по отношению к центру описываемой автомобилем окружности колесо вращается медленней,наружное быстрей - при этом сателлиты вращаются вокруг своей оси, обегая шестерни полуосей. Но принцип деления момента поровну между колесами - сохраняется. Мощность же, подаваемая на колеса, перераспределяется,- ведь она равна произведению крутящего момента на угловую скорость колеса. Если радиус поворота настолько мал, что внутреннее колесо останавливается, тогда внешнее вращается с вдвое большей скоростью, чем при движении автомобиля по прямолинейной траектории. Итак, дифференциал не меняет крутящий момент, но перераспределяет между колесами мощность. Последняя всегда больше на том колесе, которое вращается быстрее.
Применение дифференциалов
В автомобилях с одной ведущей осью устанавливается один дифференциал, объединенный с главной передачей. В автомобилях с двумя и более ведущими осями дифференциалы устанавливаются в каждую ведущую ось (например, в трехосном грузовике или автобусе с двумя задними ведущими осями дифференциалы установлены в среднюю и заднюю оси). В автомобилях с подключаемым полным приводом дифференциалы устанавливаются в каждую ведущую ось (у двухосного полноприводного джипа с подключаемым передним ведущим мостом два дифференциала - по одному в каждой ведущей оси), но эксплуатация этих машин с постоянно подключенной передней осью не рекомендуется по причине повышенного износа главных передач и колес из-за неравномерно распределяемой мощности между осями. В свою очередь в автомобилях повышенной проходимости с постоянно подключенными ведущими осями применяют три дифференциала - по одному в каждой ведущей оси и один межосевой, установленный в раздаточной коробке. Межосевой дифференциал распределяет мощность между ведущими осями в зависимости от длины проходимого колесами оси пути. К примеру, передние колеса могут преодолевать возвышение, задние еще двигаться по прямой - передние колеса описывают более длинный путь, чем задние, соответственно, межосевой дифференциал обеспечивает передачу большей части мощности двигателя на переднюю ось, чем на заднюю. На многоосных транспортных средствах с несколькими ведущими осями применяют межтележечный дифференциал.
Дифференциал не применяется на транспортных средствах с одним ведущим колесом - в частности, на мотоциклах и трициклах с двумя передними управляемыми колесами. Если трицикл построен по схеме с одним передним управляемым колесом и двумя ведущими задними, то на нем применяют автомобильный ведущий мост с дифференциалом. Обычно подобные трициклы строят по индивидуальным заказам на базе популярных тяжелых моделей (пример - кастомные трициклы на базе «Харлей-Дэвидсон»).
На гоночных автомобилях на основе серийных моделей (например, на раллийных или для кольцевых гонок) дифференциал перед гонками блокируют, поскольку повороты такие машины проходят на большой скорости и с заносом. В данном случае склонность автомобиля к заносу из-за отсутствия дифференциала считается преимуществом.
Недостаток дифференциала
Главным недостатком дифференциала классической конструкции является проблема пробуксовки колеса, потерявшего контакт с поверхностью дорожного полотна. Когда одно из ведущих колес вращается в вывешенном состоянии его скорость вдвое больше, чем была бы при этих же оборотах ведомой шестерни дифференциала при нормальном движении по прямой. Зато второе колесо вообще не вращается. Причина проста. Момент сопротивления вращению вывешенного колеса ничтожен, соответственно мал и подводимый к нему крутящий момент. Значит, столь же мал крутящий момент и на противоположном колесе - оно стоит. Если же одно из колес буксует - с повышенными оборотами, но с существенным сопротивлением (например, в грязи, песке и т.п.), то такой же крутящий момент поступает и на другое, не буксующее, колесо. В результате автомобиль может двигаться с небольшой скоростью. При этом на буксующее колесо подается более высокая мощность - она тратится на нагрев шины, дороги и т.д.
Эффект пробуксовки снижает проходимость автомобиля со свободным дифференциалом. Для решения этой проблемы автомобили оснащают механизмами блокировки дифференциала - ручной или автоматической - различной конструкции.
Механизмы блокировки дифференциала
- Ручная блокировка дифференциала
Самым простым способом блокировки дифференциала является применение механизма с ручным управлением. Этот вид блокировки применяется на автомобилях повышенной проходимости. Блокировка производится блокировочными муфтами, которые фиксируют сателлиты. Дифференциал отключается. К достоинствам данного типа блокировки можно отнести простоту и надежность конструкции, к недостаткам - необходимость точно оценивать дорожную обстановку и отключать блокировку дифференциала при движении по качественным дорогам во избежание поломок главной передачи и ведущего моста в целом.- Блокировка дифференциала с электронным управлением
На современных полноприводных легковых автомобилях повышенной проходимости с развитым компьютерным управлением работой агрегатов и механизмов устанавливают антипробуксовочную систему с электронным управлением. Как только бортовой компьютер автомобиля (или электронный блок антипробуксовочной системы) получает от датчика вращения сигнал о том, что одно колесо оси вращается значительно быстрей второго, свободное колесо притормаживается рабочим тормозом - благодаря свободному дифференциалу мощность передается на колесо, которое не утратило контакта с дорожным покрытием. Эта система требует наличия системы раздельного привода тормозов всех четырех колес и точной отладки датчиков. Антипробуксовочные системы позволяют достаточно тонко регулировать распределение мощности в зависимости от состояния дорожного покрытия и избежать потерь мощности двигателя при срабатывании дифференциала. С другой стороны, управляющая система из датчиков и исполнительных приводов тормозов (на соленоидах) обладает инерционностью, поэтому работает с некоторым запозданием, что приходится учитывать водителю.
На гоночных автомобилях иногда применяются фрикционные дифференциалы с тормозными ленточными механизмами, управляемыми электроникой.
- Автоматическая блокировка с применением фрикционной муфты
На спортивные автомобили, выпускаемые малыми сериями или по заказу, иногда устанавливают фрикционные самоблокирующиеся дифференциалы. На серийных машинах эти дифференциалы редкость, поскольку они требуют особого обслуживания и подвержены интенсивному износу. Фрикционные муфты устанавливаются между полуосевыми шестернями и корпусом дифференциала. При прямолинейном движении автомобиля полуоси вращаются с одинаковой угловой скоростью - сила трения во фрикционных муфтах равна нулю, дифференциал распределяет мощность между колесами ведущей оси поровну. Как только одна из полуосей начинает вращаться быстрей, диски фрикционной муфты сближаются, за счет возникающих сил трения муфта притормаживает вращение свободной полуоси. Этот тип дифференциала отличается невысокой эффективностью при большой разнице в угловых скоростях ведущих колес (например, на поворотах с малым радиусом закругления).
Дифференциал – это устройство, которое управляет распределением вращательного момента от входного вала к выходным, при этом скорость каждого отдельного элемента может отличаться. Механизм широко применяется в автомобильной индустрии.
Дифференциалы различаются согласно месту установки, предназначению и особенностям конструкции:
- В автомобилях с приводом на одну ось используется лишь один дифференциал, называемый межколесным. Его необходимость вызвана тем, что внешние и внутренние колеса проходят разное расстояние при повороте транспорта.
- Автомобили с приводами 6×6 или 8×8 содержат в конструкции дополнительный межтележечный дифференциал.
- В полноприводных же моделях устанавливается целых три дифференциала: два межколесных и один межосевой.
О том, как работает межосевой дифференциал, и какие межосевые дифференциалы вообще могут быть мы поговорим более подробно далее.
Предназначение межосевого дифференциала
Межосевой дифференциал предназначен для распределения крутящего момента между ведущими осями автомобиля и дает им возможность вращаться с разными угловыми скоростями. Такая потребность вызвана простым условием движения транспорта по неровным поверхностям, когда собственная масса конструкции давит на ось, находящуюся в более низком положении. Так, при езде под горку значительная часть момента подается на задние колеса. И, наоборот, в случае спуска.
Устройство межосевого дифференциала устанавливается, как правило, в раздаточной коробке автомобиля. Межосевой дифференциал может быть симметричным и несимметричным. Первый распределяет крутящий момент между осями поровну, а второй – в определенном соотношении.
Кроме того, существует межосевой дифференциал без механизма блокировки, который позволяет осям вращаться с различной скоростью, а также дифференциал самоблокируемый либо с механизмом ручной блокировки, который принудительно распределяет вращающий момент между приводными полуосями в зависимости от дорожных условий. При этом принудительная блокировка межосевого дифференциала подразумевает полное или частичное выключение дифференциала, обеспечивающее жесткое соединение передней и задней полуосей между собой.
Чаще всего для полной реализации полноприводных возможностей автомобиля применяется самоблокируемый дифференциал, который может иметь три вида конструкций и разные принципы работы соответственно.
Конструкции и принцип работы самоблокирующегося межосевого дифференциала
Итак, существует три вида самоблокирующегося межосевого дифференциала:
- вязкостная муфта;
- блокировка типа Torsen;
- фрикционная муфта.
Межосевой дифференциал с вискомуфтой
Схема межосевого дифференциала с вискомуфтой представляет собой планетарную симметричную схему на конических шестернях. Данная конструкция предполагает наличие управляющего элемента вязкостной муфты, которая состоит из следующих элементов:
- корпус;
- вал корпуса;
- ведущий вал;
- ведомый вал;
- диски;
- боковая шестерня;
- уплотнения.
Муфта в своей конструкции имеет герметично закрытую полость, наполненную воздушно-силиконовой масляной смесью. Полость кинетически связана с двумя пакетами дисков, которые соединены с обеими полуосями.
Принцип работы:
При прямолинейном движении по ровной поверхности и с постоянной скоростью межосевой дифференциал передает крутящий момент двигателя на переднюю и заднюю ведущую ось в соотношении 50 на 50. В случае если один из пакетов дисков начинает вращаться быстрее другого, то в герметической полости муфты повышается давление, и она начинает механически тормозить (т.е. блокировать) этот пакет, тем самым уравнивая угловые скорости вращения.
Следующие примеры могут легко объяснить, зачем нужен межосевой дифференциал с вязкостной муфтой:
- В случае выезда транспортного средства на скользкую поверхность, что приводит к сильной пробуксовке передних колес, из-за значительно повышается давления в муфте. Как следствие, на задние колеса подается гораздо больший крутящий момент.
- Распределение момента в пользу переднего привода происходит в случае резкого разгона автомобиля на скользкой поверхности. В такой ситуации происходит смещение центра тяжести вперед, и передняя ось становится ведущей.
Широкое распространение конструкция с вискомуфтой получила благодаря простоте конструкции и ее дешевизне. К недочетам можно отнести отсутствие функции ручной блокировки, возможность перегрева при долговременной работе, неполное автоматическое блокирование, преобразование значительной части кинетической энергии в тепловую.
Межосевой дифференциал с блокировкой типа Torsen
Конструкция рабочего привода данной системы состоит из следующих единиц:
- корпус;
- правая полуосевая шестерня;
- левая полуосевая шестерня;
- сателлиты правой и левой полуосевых шестерен;
- выходные валы.
Стоит отметить, что дифференциал Torsen имеет наиболее совершенную конструкцию.
Принцип работы:
Межосевой блокируемый дифференциал Torsen состоит из ведомых и ведущих червячных колес, иначе называемых полуосевыми и саттелитами. В такой системе блокировка случается вследствие особенностей функционирования шестерен данного типа. В нормальном состоянии им задается определенное передаточное число. Если колеса имеют хорошее сцепление с поверхностью и движутся плавно, работа дифференциала происходит точно так же, как и у симметричного. Но как только происходит резкое увеличение момента, саттелит пытается начать движение в обратную сторону. Полуосевая червячная шестерня перегружается, и происходит блокировка выходных валов. При этом лишний крутящий момент двигателя переходит на другую ось. Максимальная степень перераспределения момента для дифференциалов Torsen – 75 на 25.
Наиболее известной разновидностью данной системы является Torsen Audi Quattro. Это один из самых популярных механизмов в конструкциях современных полноприводных автомобилей. Его неоспоримыми преимуществами являются широкий спектр переброса вращающего момента, мгновенная скорость срабатывания и отсутствие негативного влияния на тормозную систему. А вот к недостаткам можно отнести сложность конструкции со всеми сопутствующими последствиями.
Межосевой дифференциал с фрикционной муфтой
Блокировка на базе фрикционной муфты серьезно превосходит описанные выше конструкции, потому что имеется возможность и автоматической, и ручной блокировки дифференциала. Конструктивно она очень схожа с вискомуфтой и отличается лишь основными рабочими элементами.
- корпус;
- вал корпуса;
- ведущий вал;
- ведомый вал;
- фрикционные диски;
- уплотнения.
Принцип работы:
Принцип работы межосевого дифференциала такого рода достаточно прост. При однообразном плавном движении угловые скорости распределяются между осями поровну. Если одна из полуосей начинает вращаться с увеличенной скоростью, фрикционные диски сближаются и притормаживают ее за счет сил трения.
Однако из-за сложности конструкции и особенностей обслуживания фрикционные дифференциалы не используются производителями серийных автомобилей, несмотря на свои очевидные преимущества. Кроме того, ощутимый минус такой системы – быстрый износ рабочих элементов, а значит малый ресурс ее работы.
Система блокировки Haldex
Но стоит сказать, что на базе конструкции межосевого дифференциала с фрикционной муфтой еще в 1998 году шведским заводом Haldex была выпущена собственная альтернативная система. Она основывалась на работе электрогидравлической связки элементов. Та старая версия системы была скорей провальной, чем удачной, но породило несколько модификаций, последняя из которых стала довольно востребованной.
Haldex 4 поколения, вышедший в 2007 году стал настоящим прорывом. Основными рабочими плоскостями системы являются фрикционные диски. Через них крутящий момент от двигателя передается на полуоси. Одним из новшеств стал полный отказ производителя от использования в качестве рабочего привода гидравлического насоса. Ему на смену пришел мощный полностью электрический насос.
А вот самым интересным изменением стало превращение системы в полностью электронную. Так, включение муфты и блокировка полуосей больше не зависит от скорости вращение отдельного колеса. Управление работой системы ведется через электронный блок управления, который получает всю необходимую информацию от датчиков движения. Кроме того, одним из главных сигналов включения муфты в работу является нажатие педали газа. Ускорения почти всегда сопровождается определенной пробуксовкой, поэтому блокировка как нельзя кстати.
Haldex 4 многими называется самой современной системой для автомобилей с подключаемым полным приводом. Особенно часто Haldex устанавливают на современные внедорожники с межосевым дифференциалом азиатского производства. Ее главными преимуществами являются простота конструкции, надежность и работа на протяжении всего времени езды. А вот главный недостаток – невозможность переноса более 50% мощности на заднюю ось вращения.
Среди особенностей свободного дифференциала - способность во время пробуксовки одного колеса (ведущей оси) передавать крутящий момент на другое колесо. Создание блокировки дифференциала было вызвано необходимостью увеличить крутящий момент на том колесе оси, у которого сцепление с дорогой лучше.
Блокировка дифференциала осуществляется следующим образом:
- Корпус дифференциала соединяется с одной из полуосей;
- Вращение сателлитов ограничивается.
Блокировка дифференциала зависит от степени и может быть как полной так и частичной.
Что такое полная блокировка?
Полной блокировкой дифференциала называют - жесткое соединение частей дифференциала, во время которого происходит полная передача крутящего момента на то колесо, у которого наилучшее сцепление.
Что такое частичная блокировка дифференциала?
Под частичной блокировкой дифференциала подразумевается - ограниченная величина передаваемого усилия среди частей дифференциала и повышение крутящего момента на том колесе, которое имеет лучшее сцепление.
Повышение крутящего момента на свободном колесе называется коэффициентом блокировки. То есть, он отображает соотношение между крутящим моментом на не нагруженном и колесом, которое забегает, то есть пробуксовывает. Коэффициент блокировки у симметричного свободного дифференциала будет равен - 1, поскольку у каждого из колес будет одинаковым. В то время как на заблокированном дифференциале это значение может варьироваться в диапазоне от 3 до 5. Любое дальнейшее увеличение данного коэффициента блокировки крайне нежелательно, поскольку он может стать причиной выхода из строя трансмиссии или некоторых ее деталей.
Используют блокировку дифференциала как межколесные так и межосевые дифференциалы. Чтобы не снижать управляемость, блокировка переднего межколесного дифференциала у полноприводных автомобилях не делается.
Включение блокировки дифференциала может быть принудительным или полностью автоматическим. В случае с принудительной, водитель сам выбирает когда включить блокировку дифференциала, иногда ее еще называют ручной.
Что касается автоматической блокировки, то ее включение осуществляется посредством специальных технических устройств – так называемых самоблокирующихся дифференциалов.
Ручная блокировка дифференциала
Ручная или принудительная блокировка осуществляется, как правило, при помощи кулачковой муфты, которая обеспечивает жесткую сцепку корпуса дифференциала с одной из полуосей.
Замыкание или (размыкание) кулачковой муфты происходит при помощи привода, он может быть: электрическим, механическим, пневматическим или гидравлическим.
Принцип работы механического привода заключается в объединении рычага и тросов, или целой системы рычагов. Такая система позволяет осуществить блокировку дифференциала в ручном режиме на полностью неподвижном автомобиле.
Гидравлический привод блокировки дифференциала состоит из нескольких цилиндров: главного и рабочего. Роль исполнительного элемента пневмопривода выполняет пневмокамера.
В случае с электроприводом муфта замыкается при помощи электрического двигателя. Приведение в действие осуществляется посредством нажатия (активации) отвечающей за эту функцию кнопки, чаще всего расположенной на панели приборов.
Применяется жесткая принудительная блокировка на труднопроходимых участках дороги. Она используется в межколесных, а также межосевых дифференциалах автомобилей с полным приводом.
Самоблокирующийся дифференциал
Дифференциал повышенного трения или самоблокирующийся дифференциал Limited Slip Differential, LSD) можно считать неким компромиссом между полной блокировкой дифференциала и свободным дифференциалом. Это объясняется возможностью реализации функции одного или другого при возникновении такой необходимости.
Существуют два типа самоблокирующихся дифференциалов:
- Дифференциалы, которые блокируются руководствуясь разными угловыми скоростями колес.
- Дифференциалы, которые блокируются руководствуясь разными крутящими моментами.
- Дифференциал с вязкостной муфтой.
- Дисковый дифференциал.
- Электронную блокировку дифференциала.
Блокировка происходит в зависимости от того, насколько разнятся меж собою крутящие моменты червячный дифференциал.
Примитивный дисковый дифференциал состоит из: симметричного дифференциала, в котором есть один или несколько пакетов фрикционных дисков. Одна часть фрикционных дисков связана с корпусом дифференциала, вторая – с полуосью.
Работает дисковый дифференциал повышенного трения по принципу силы трения, которая возникает в результате разности скоростей, с которой вращаются полуоси.
Во время движения по прямой полуоси и корпус дифференциала вращаются с одинаковой скоростью, следовательно, вращение фрикционного пакета происходит как единое целое. В случае увеличения частоты вращения какой-то из полуосей, часть дисков которая ей соответствует начинает быстрее вращаться. Это действие сопровождается возникновением силы трения, которая не позволяет увеличить частоту вращения. На свободном (не нагруженном) колесе крутящий момент возрастает, благодаря чему достигается частичное блокирование дифференциала.
Степень, до которой сжимаются фрикционные диски может быть как фиксированной (реализуется при помощи пружин постоянной жесткости) так и переменной (за счет применения гидропривода или электронного управления).
На спортивных автомобилях используется преимущественно дисковый дифференциал LSD, или в качестве межосевого дифференциала в автомобилях SUV-сегмента.
Схема вязкостной муфты
Вязкостную муфту еще называют вискомуфтой. Она состоит из определенного набора перфорированных дисков расположенных близко друг от друга. Одна их часть жестко соединена с корпусом дифференциала, вторая – с приводным валом. Расположены диски в герметичном корпусе, который наполнен очень вязкой силиконовой жидкостью.
Схема вязкостной муфты
Во время вращения приводного вала и корпуса дифференциала с одной скоростью, происходит вращение блока перфорированных дисков как одного целого. Когда скорости вращения меняются, определенная часть дисков, которая подчиняется тому или иному блоку начинает быстрее вращаться, перемешивая силиконовую жидкость. После жидкость отвердевает и происходит блокировка дифференциала. При этом в другом приводном валу крутящий момент увеличивается. Когда равенство восстанавливается жидкость снижает свои свойства, снимая, тем самым, блокировку с муфты.
Из-за довольно больших размеров вискомуфта используется преимущественно, для блокировки межосевого дифференциала. Кроме того, вязкостная муфта может быть установлена самостоятельно, вместо межосевого дифференциала, в полноприводной системе с автоматическим подключением.
Особенность конструкции вискомуфты наделяют ее инерционностью, она может порядком нагреваться, а во время торможения может конфликтовать с ABS, именно поэтому на сегодняшний день автомобили практически не оборудуются ею.
Электронный дифференциал или электронная блокировка дифференциала - функция антипробуксовочной системы. Она реализована посредством автоматического подтормаживания того колеса, которое пробуксовывает, сопровождаемого повышением на него силы тяги. Как результат - колесо с нормальным сцеплением получает лучший крутящий момент.
Самоблокирующийся дифференциал червячного типа способен обеспечить автоматическое блокирование в зависимости от того, на сколько разнятся крутящие моменты на корпусе и полуоси. В случае проскальзывания колеса, с последующим падением крутящего момента, происходит блокировка червячного дифференциала, после чего крутящий момент перераспределяется на свободные колеса. В этом случае блокировка частичная, а ее степень в зависит от того насколько упадет крутящий момент.
Схема дифференциала Torsen
Диференциалы Torsen - наиболее известными червячными образцами. Название - аббревиатура от двух англ. слов Torque Sensing - что в переводе означает - чувствительность к крутящему моменту.
Конструктивно дифференциал
представляет собой планетарный редуктор, в котором есть несколько червячных шестерен, одни - ведомые (полуосевые) другие - ведущие (сателлиты). Расположение сателлитов чаще всего параллельно полуосям (Quaife, Torsen Т-2), иногда встречаются варианты с перпендикулярным расположением (Torsen Т-1).
Характерной особенностью червячной шестерни считается способность вращать другие шестерни, оставаясь при этом недвижимой. При этом червячная шестерня расклинивается. Это свойство применяется для частичной блокировки червячного дифференциала. Применение червячных самоблокирующихся дифференциалов весьма широкое, они могут выполнять роль как межосевых так и межколесных дифференциалов.
Служит для распределения подводимого к нему вращающего момента между выходными валами и обеспечивает возможность их вращения с неодинаковыми угловыми скоростями.
При движении колесного ТС на повороте внутреннее колесо каждой оси проходит меньшее расстояние, чем ее наружное колесо, а колеса одной оси проходят разные пути по сравнению с колесами других осей.
Неодинаковые пути проходят колеса ТС при движении по неровностям на прямолинейных участках и на повороте, а также в случае прямолинейного движения по ровной дороге при разных радиусах качения колес, например при неодинаковом давлении воздуха в шинах и износе шин или неравномерном распределении груза на ТС.
Если бы все колеса вращались с одинаковой скоростью, это неизбежно приводило бы к их проскальзыванию и пробуксовыванию относительно опорной поверхности, следствием чего явились бы повышенный износ шин, увеличение нагрузок в механизмах трансмиссии, затраты мощности двигателя на работу скольжения и буксования, повышение расхода топлива, а также трудность поворота транспортной машины. Таким образом, колеса ТС должны иметь возможность вращаться с неодинаковыми угловыми скоростями относительно друг друга. У неведущих колес это обеспечивается тем, что они установлены свободно на своих осях и каждое из них вращается независимо друг от друга. У ведущих колес это обеспечивается установкой в их приводе дифференциалов.
Основные типы дифференциалов
По месту расположения дифференциалы подразделяют на:
- межколесные (распределяющие вращающий момент между ведущими колесами одной оси)
- межосевые (распределяющие момент между главными передачами двух ведущих мостов)
- центральные (распределяющие момент между группой ведущих мостов)
По соотношению вращающих моментов на ведомых валах дифференциалы могут быть:
- симметричными (моменты на ведомых валах всегда равны между собой)
- несимметричные (отношение моментов на ведомых валах не равно единице)
Различают также дифференциалы:
- неблокируемые
- блокируемые принудительно
- самоблокирующиеся
По конструкции дифференциалы подразделяют на:
- конические
- цилиндрические
- кулачковые
- червячные
В некоторых случаях вместо дифференциалов устанавливают механизмы типа муфт свободного хода.
В настоящее время на колесных ТС наиболее широкое распространение получили конические симметричные неблокируемые дифференциалы.
Видео: Как работает дифференциал?
Схемы дифференциалов
Рис. Схемы простых дифференциалов с постоянным соотношением моментов на ведомых валах: а — симметричного конического; б — симметричного цилиндрического; в — несимметричного цилиндрического; г — несимметричного конического; 1, 8 — левая и правая полуоси дифференциала; 2, 6 — левая и правая полуосевые шестерни; 3 — сателлит; 4 — корпус дифференциала; 5 — ведомое колесо главной передачи; 7 — ось вращения сателлитов; 9 — солнечная шестерня; 10 — эпициклическая шестерня
Рис. Межколесный симметричный конический дифференциал: 1, 8 — чашки дифференциала; 2, 7 — опорные шайбы полу осевых зубчатых колес; 3, 6 — полу осевые зубчатые колеса; 4 — опорная шайба сателлита; 5 — сателлиты; 9 — крестовина
Рис. Схемы несимметричных дифференциалов: а - конический; б - цилиндрический
Рис. Кулачковый дифференциал автомобиля ГАЗ-66-11 (а) и схема его работы (б): 1 - внутренняя звездочка; 2 - сепаратор; 3 - наружная звездочка; 4 - чашка дифференциала; 5 - сухарь
Рис. Блокируемый межколесный дифференциал: 1 - муфта; 2 - зубчатый венец
Рис. Межосевой дифференциал автомобиля КамАЗ-5320: 1 - ведущий вал; 2 - уплотнительная манжета; 3 - картер дифференциала; 4, 7 - опорные шайбы; 5, 17 - чашки дифференциала; 6 - сателлит: 8 - датчик блокировки; 9 - пробка заливного отверстия; 10 - пневматическая камера блокировки; 11 - вилка; 12 - стопорное кольцо; 13 - зубчатая муфта; 14 - муфта блокировки; 15 - сливная пробка; 16 - зубчатое колесо привода среднего моста; 18 - крестовина; 19 - зубчатое колесо привода заднего моста; 20 - болт крепления чашек; 21 - подшипник; 22 - крышка подшипника
Рис. Работа межколесного дифференциала: а - общая схема; б - при движении прямо; в - при повороте; 1 - корпус дифференциала; 2, 5 - полуосевые зубчатые колеса; 3 - крестовина: 4, 6 - сателлиты; 7 - ведущее зубчатое колесо главной передачи; 8, 9 - полуоси; 10 - ведомое зубчатое колесо главной передачи
Рис. Межосевой дифференциал Torsen: 1, 3 — правая и левая полуосевые шестерни; 2 — корпус дифференциала; 4 — сателлит, связанный с правой полуосевой шестерней; 5, 7 — выходные валы дифференциала; 6 — сателлит, связанный с левой полуосевой шестерней
