Дифференциал — механическое устройство, передающее крутящий момент с одного входного вала на два выходных (межколесный или межосевой). При этом устройства, обеспечивающие механическую блокировку двух концов одного и того же вала (электромагнитные и пневматические муфты, вискомуфты) могут входить в состав дифференциалов в качестве исполнительного механизма, но сами по себе дифференциалами не являются.
Необходимость в дифференциале возникает на любом автомобиле, движение которого обеспечивается ведущей осью с двумя колесами, т.к. в поворотах все колеса автомобиля проходят разное расстояние и потому должны вращаться с разными угловыми скоростями. В системах 4WD (полного привода) передняя и задняя оси также вращаются в повороте с разными угловыми скоростями, что требует применения нескольких дифференциалов (или жесткого подключения второй ведущей оси).
Основные схемы и особенности полного привода (4WD) рассматриваются в отдельной статье, т.к. тот или иной конкретный набор дифференциалов и муфт является для полного привода исполнительным механизмом.
Принципиальная потребность в дифференциалах
В повороте любой автомобиль (не важно, полно- или моноприводный) двигается так, что все его колеса проходят разное расстояние и, таким образом, должны вращаться с разными угловыми скоростями. В противном случае возникают два эффекта:
- высокие «внутренние» нагрузки на трансмиссию и колеса — по сути, разница энергий каждого из колес при их жесткой связи должна как-то утилизироваться внутри трансмиссии (в лучшем случае — расходоваться на преждевременное разрушение шин);
- риск потери управляемости ввиду резкого снижения сцепления колес с дорогой (особенно передних, поворотных).
Таким образом, в повороте при прочих равных:
- внешнее колесо всегда вращается быстрее внутреннего (проходит большее расстояние);
- передняя ось всегда вращается быстрее задней (проходит большее расстояние);
- попытка заставить колеса вращаться с равными угловыми скоростями приводит к срыву колес в скольжение и потере контроля над машиной (широко известный «эффект плуга» — острой недостаточной поворачиваемости).
Здесь мы рассматриваем дифференциалы как устройства распределения момента с ведущего вала на правое и левое ведущие колеса одной оси (или также для передачи момента с двигателя на переднюю и заднюю оси). Устройства, предназначенные для управления передачей момента между двумя концами одного и того же вала, называются «муфтами» и рассматриваются в отдельных статьях.
Простейшим типом дифференциала является т.н. «открытый» дифференциал. Его задачей является распределение момента между механически связанными колесами так, чтобы каждое колесо вращалось с максимально возможной скоростью. При этом, если одно из колес теряет опору на твердую поверхность (например, проваливается в снег или яму), то весь момент передается именно на него и оно вращается впустую, а второе, стоящее на твердой опоре, остается неподвижным и не способно сдвинуть автомобиль с места.
Почему так происходит?
Планетарный механизм дифференциала (в данном случае — симметричного, т.е. рассчитанного на передачу равного момента на оба колеса) вращает шестерни полуосей через сателлиты. Сателлит передает равный крутящий момент одновременно на обе полуоси, так как является рычагом с равными плечами относительно собственной оси вращения, через которую сателлит и получает тяговое усилие от чашки дифференциала. При прямолинейном движении с хорошим дорожным сцеплением обоих колес, сателлиты не вращаются вокруг своей оси и передают максимальный крутящий момент с чашки дифференциала на полуоси. Чашка дифференциала, планетарный механизм и полуоси вращаются с равной угловой скоростью как единое целое.
При повороте автомобиля, сателлиты начинают поворачиваться вокруг своей оси, приводя в действие планетарный механизм и обеспечивая разницу в угловых скоростях полуосей, однако продолжают передавать оптимальный крутящий момент на обе полуоси, так как дорожное сцепление обоих колёс остается высоким.
Как только одно из колес начинает терять сцепление с дорогой, усилие, необходимое для его вращения, сразу снижается, и крутящий момент на его полуоси падает. Так как сателлиты могут свободно вращаться вокруг своей оси симметрии, уравнивая тем самым крутящий момент на обеих полуосевых шестернях, крутящий момент упадет и на полуоси колеса с хорошим дорожным сцеплением, а так же и на чашке дифференциала, и на всей трансмиссии в целом. В этой ситуации упавшего крутящего момента уже недостаточно для вращения колеса с хорошим дорожным сцеплением, зато вполне достаточно для вращения «свободного» колеса, которое и продолжает вращаться (буксует) благодаря осевому вращению сателлитов. При этом планетарный механизм выполняет роль редуктора, увеличивающего угловую скорость вращения буксующего колеса. В результате, колесо с хорошим дорожным сцеплением останавливается (как и автомобиль), а буксующее колесо вращается с удвоенной угловой скоростью, относительно угловой скорости чашки дифференциала. При этом суммарное усилие (крутящий момент) падает на всей трансмиссии, и двигатель работает практически без нагрузки.
Кнопки на диаграмме ниже: STRAIGHT — машина едет прямо, TURN — машина поворачивает. Обратите внимание на проскальзывание осей друг относительно друга.
Те же процессы — движение прямо (STRAIGHT) и поворот (TURNING) в других диаграммах. Обратите внимание еще раз, что при прочих равных в повороте внешнее колесо вращается быстрее.
Помимо проблем с проходимостью, такая схема несет в себе существенные риски управляемости под тягой, т.к. по мере появления под тем или иным ведущим колесом участков с низким коэффициентом сцепления (лед, грязь, вода, песок) вся тяга будет немедленно перебрасываться именно на это колесо, и машину будет резко (часто непредсказуемо) бросать в сторону. К слову — именно на устранение этого отвратительного и опасного недостатка направлен постоянный полный привод (full-time 4WD) на обычных не-внедорожных машинах.
Блокировка дифференциаловВ борьбе с бесполезным вращением незагруженного колеса (оси) техническая мысль пошла следующими принципиальными путями:
- блокировать дифференциал вручную, в том числе с использованием дистанционного привода (в настоящее время применяется только на дешевых и морально устаревших машинах, либо крайне редко на специальных машинах для сверхтяжелых условий эксплуатации);
- блокировать дифференциал автоматически, в том числе с переменным усилием блокировки (в эту же категорию попадают так называемые «самоблоки», они же «дифференциалы повышенного трения», «LSD»);
- притормаживать свободные колеса с помощью штатных тормозных механизмов (электронно по датчикам ABS).
Перечисленные решения часто применяются в синтезе. Так, на тяжелых полноприводных внедорожниках Mercedes и Toyota применяются и жесткие ручные межколесные блокировки, и автоматическая + принудительная ручная межосевые блокировки, и подтормаживание колес электроникой. Рассмотрим эти решения подробнее.
Дифференциалы с полной ручной (принудительной) блокировкойДифференциалы с полной принудительной блокировкой фактически имеют только два состояния — распущенное (свободное) и заблокированное. При блокировке дифференциал превращается в простую муфту, жестко связывающую полуоси (или карданы) между собой и постоянно передающую им вращение с равной угловой скоростью.
Блокировка достигается либо блокировкой возможности осевого вращения сателлитов, либо жестким соединением между собой чашки дифференциала с одной из полуосей. При этом планетарный механизм блокирован и не распределяет крутящий момент по осям. Передаваемые на полуоси крутящие моменты зависят непосредственно от сцепления каждого из колес с дорогой.
На картинке ниже изображена схема блокировки компании ARB для мостового дифференциала, в которой блокируются сателлиты с помощью дистанционного привода. В основном в таких дифференциалах используются пневматические, электрические, гидравлические или механические приводы. Данный тип блокировки применяется как для мостовых, так и для межосевых дифференциалов.
Ввиду того, что полностью блокированный дифференциал не распределяет полученный крутящий момент поровну между осями, в случае резкой потери сцепления одного из колес, передаваемый крутящий момент на полуоси колеса с хорошим сцеплением также резко возрастет. Поэтому пользоваться такими блокировками надо аккуратно, т.к. усилия мотора может вполне хватить для того, чтобы «сорвать» механизм блокировки или поломать полуось. Применять такие блокировки желательно только на небольших скоростях для передвижения по труднопроходимой местности, так как при их применении в мостах (особенно в рулевых) автомобиль очень сильно теряет управляемость. Включать такие блокировки можно только на неподвижном автомобиле.
Кулачковые и зубчатые автоматические блокировкиВ таких блокировках вместо классического шестеренчатого планетарного механизма используются кулачковые или зубчатые пары, которые при небольшой разнице в угловых скоростях полуосей имеют возможность взаимно проворачиваться (перескакивать), а при пробуксовке заклиниваются и блокируют полуоси друг с другом. Поскольку такие блокировки срабатывают очень резко, а также способны выдерживать очень большую нагрузку, их в основном ставят на военную и специальную технику. На некоторых моделях таких дифференциалов реализовано отключение одной из полуосей в момент возникновения небольшой разницы скоростей (за счет использования обгонных муфт).
Блокировка Detroit E-Z Locker (компания Tractech):
Блокировка Detroit Locker:
Кулачковая блокировка БТР-60:
Limited Slip Differentials — дифференциалы с ограниченным «забеганием» (дословно — «проскальзыванием») забегающей полуоси относительно отстающей, они же самоблокирующиеся дифференциалы идифференциалы повышенного трения. Чем выше внутреннее трение в дифференциале, тем выше коэффициент его блокировки – то есть тем больше крутящего момента дифференциал может перераспределить в пользу небуксующего колеса. По принципу действия самоблокирующиеся дифференциалы можно подразделить на два основных типа:
- speed sensitive – срабатывающих при возникновении разницы в угловых скоростях вращения полуосей;
- torque sensitive – срабатывающих при падении усилия (крутящего момента) на одной из полуосей.
В таком дифференциале вискомуфта применяется для блокировки одной из полуосей с чашкой дифференциала и монтируется соосно полуоси таким образом, что один ее привод жестко крепится к чашке дифференциала, а другой – к полуоси. При нормальном движении угловые скорости вращения чашки и полуоси одинаковые, либо незначительно отличаются (в повороте). Соответственно, рабочие плоскости вискомуфты имеют такое же небольшое расхождение в угловых скоростях и вискомуфта остается разомкнутой. Как только одна из осей начинает получать более высокую угловую скорость вращения относительно другой, в вискомуфте появляется трение и она начинает блокироваться. Чем больше разница в скоростях, тем сильнее трение внутри вискомуфты и выше степень блокировки дифференциала. За счет полученного момента трения между чашкой дифференциала и полуосью, дифференциал перераспределяет крутящий момент в пользу оси с наилучшим дорожным сцеплением (отстающую полуось). По мере увеличения степени блокировки вискомуфты и выравнивания угловых скоростей чашки и полуоси, трение внутри вискомуфты начинает падать, что ведет к плавному ее размыканию и отключению блокировки.
Данная схема применяется в основном для межосевых дифференциалов, т.к. конструктивно слишком массивна для межколесного редуктора, и отлично подходит для эксплуатации в условиях плохого дорожного покрытия (задача повышения устойчивости на дороге, в которой максимально проявляется сильная сторона вискомуфты — плавность срабатывания). Однако, для настоящего бездорожья эта схема не подходит: вискомуфта плохо переносит постоянную смену нагрузки (запаздывает, перегревается) и не обеспечивает достаточную степень блокировки. Соответственно, данный тип дифференциалов применяли как в качестве основного и единственного средства на «паркетниках» (например, Toyota RAV4, Lexus RX300) и обычных машинах (например, Mitsubishi Galant/Legnum), так и в качестве дополнительной блокировки (в дополнение к 100%-ой принудительной блокировке) на «настоящих» внедорожниках (например, Toyota Land Cruiser 80).
В настоящее время от использования данных дифференциалов отказались по двум причинам: дороговизне вискомуфты относительно электромагнитных муфт и необходимости принудительно размыкать блокировку для корректной работы ABS (чего вискомуфта принципиально не умеет делать).
Героторный speed sensitive LSD (Gerodisk или Hydra-lock)Данный тип дифференциалов блокируется масляным насосом с поршнем и комплектом фрикционных пластин (фрикционный блок), установленным между чашкой дифференциала и шестерней одной из полуосей. Принцип действия у него практически такой же, что и у вискомуфты. Масляный насос монтируется соосно полуоси таким образом, что его корпус крепится к чашке дифференциала, а нагнетающий ротор – к полуоси. При возникновении разности в угловых скоростях полуоси и чашки дифференциала, насос начинает нагнетать масло на поршень и сдавливать фрикционный блок, блокируя тем самым шестерню полуоси с чашкой дифференциала. За счет полученного момента трения, дифференциал перераспределяет крутящий момент на отстающую полуось (полуось с наилучшим сцеплением). Данная конструкция получила название Gerodisk (Hydra-Lock), штатно устанавливается на внедорожники Chrysler и требует применения специального масла с присадками для обеспечения нормальной работы фрикционных блоков.
Известен вариант аналогичного дифференциала фирмы Audi, интегрированный в корпус АКПП и использующий для блокировки фрикционов давление масла из гидравлического контура АКПП.
Torque sensitive LSD с фрикционными блоками предварительного натягаТакие дифференциалы отличаются от обычных открытых дифференциалов только наличием блоков фрикционных пластин (часто подпружиненных) между полуосями и чашкой дифференциала (поэтому их часто именуют «friction based LSD»). Данный тип блокировки препятствует возникновению даже небольшой разницы в угловых скоростях полуосей (которая необходима в поворотах), что плохо влияет на управляемость автомобиля, износ покрышек и расход топлива. В связи с этим, коэффициент блокировки таких дифференциалов обычно выбирают небольшим. Тем не менее, для автоспорта выпускаются модели таких дифференциалов с довольно высоким конструктивно заложенным трением пластин и соответственно высоким коэффициентом блокировки. Также срок службы фрикционных блоков в таких дифференциалах небольшой, со временем фрикционные блоки изнашиваются и коэффициент блокировки дифференциала падает. Как и для всех friction based дифференциалов, необходимо применять специальное масло. Данные дифференциалы штатно устанавливаются в задний мост многих внедорожников (например, Toyota Land Cruiser).
Это одна из самых интересных, эффективных, технологичных и практически применяемых форм блокировки дифференциалов. Принцип работы основан на свойстве гипоидной или винтовой пары «расклиниваться». В связи с этим, основные (или все) зацепления в таких дифференциалах винтовые или гипоидные. Можно выделить три основных типа таких дифференциалов.
Первый тип производит компания Zexel Torsen (T-1). Гипоидными парами являются шестерни ведущих полуосей и сателлиты. При этом каждая полуось имеет собственные сателлиты, которые парно связаны с сателлитами противоположной полуоси обычным прямозубым зацеплением (при этом ось сателлита перпендикулярна полуоси). При нормальном движении и равенстве передаваемых на полуоси крутящих моментов гипоидные пары «сателлит / ведущая шестерня» либо остановлены, либо проворачиваются, обеспечивая разницу угловых скоростей полуосей в повороте. Как только одна из полуосей начинает буксовать и крутящий момент на ней падает, гипоидные пары «полуось/сателлит» начинают вращаться и расклиниваться, создавая трение с чашкой дифференциала и друг с другом, что приводит к частичной блокировке дифференциала. За счет момента трения, дифференциал перераспределяет крутящий момент в пользу отстающей полуоси. Данная конструкция работает в самом большом диапазоне распределения крутящего момента — от 2.5/1 до 5.0/1. Диапазон срабатывания конструктивно регулируется углом наклона зубцов червяка.
Второй тип изобрел англичанин Rod Quaife. В данном дифференциале используются косозубые шестерни полуосей и винтовые шестерни сателлитов (оси сателлитов параллельны полуосям). Сателлиты расположены в своеобразных карманах чашки дифференциала, при этом парные сателлиты образуют между собой еще одну винтовую пару, которая, расклиниваясь, также участвует в процессе блокировки. Такое устройство, в частности, имеет дифференциал True Trac компании Tractech. В России есть производство аналогичных дифференциалов под отечественные автомобили. Компания Zexel Torsen в своем дифференциале T-2 предложила немного другую компоновку того же устройства. В ней парные сателлиты соединены между собой со внешней стороны солнечных шестерней. По сравнению с первым типом, эти дифференциалы имеют меньший коэффициент блокировки, однако они более чувствительны к падению момента и срабатывают раньше (начиная от 1.4/1). Компания Tractech выпускает такой мостовой дифференциал Electrac, снабженный принудительной электрической блокировкой.
Третий тип производится компанией Zexel Torsen (Т-3) и используется в основном для межосевых дифференциалов. Как и во втором типе, в данном дифференциале используются косозубые шестерни полуосей и винтовые шестерни сателлитов. Оси сателлитов параллельны полуосям. Планетарная структура конструкции позволяет сместить номинальное распределение крутящего момента в пользу одной из осей (например, 4Runner 4-го поколения: 40/60 в пользу задней оси). Соответственно, смещен и весь диапазон работы частичной блокировки: от (front/rear) 53/47 до 29/71. В целом, смещение номинального распределения момента между осями возможно в диапазоне от 65/35 до 35/65. Срабатывание частичной блокировки обеспечивает 20-30% перераспределение передаваемых на полуоси моментов. Подобная структура дифференциала делает его компактным, что, в свою очередь, упрощает конструкцию и улучшает компоновку раздаточной коробки.
Вышеописанные дифференциалы очень популярны в автоспорте и часто устанавливаются штатно в качестве как межосевых, так и межколесных дифференциалов (например, у Toyota — легковые автомобили Supra, Celica, Rav4, Lexus IS300, внедорожники Hilux Surf, Land-Cruiser, Lexus GX470, автобусы Coaster Mini-Bus). Данные дифференциалы не требуют применения специальных присадок к маслу (в отличии от friction-based LSD), однако в них лучше использовать качественное масло для нагруженных гипоидных передач.
Электронные системы контроля тормозных усилийИдея данных систем крайне проста. Раз все машины все равно в обязательном порядке оснащены системой ABS, которая контролирует с высокой точностью вращение каждого колеса, то почему бы не поручить штатной тормозной системе выборочно подтормаживать колеса, имитируя «настоящие» дифференциальные блокировки. Теоретически, в этом случае можно ограничиться обычными свободными дифференциалами, а работу сложных блокировок возьмет на себя электроника и тормозные механизмы.
На практике вышло несколько сложнее. Обычные тормозные механизмы недостаточно эффективны для самостоятельного сдерживания колес автомобиля в тяжелых внедорожных условиях, быстро изнашиваются и перегреваются от такой нагрузки. Поэтому после периода первоначальных экспериментов (Mercedes ML, BMW X5) роль «электронных блокировок» свели к вспомогательной — т.е. дополнительной, «тонкой» блокировке при имеющихся обычных блокируемых дифференциалах. (взято с http://cars.negrov.n...ffs/#more-1131)
