Какие бывают дифференциалы

Разделы: 4WD, Дифференциал

Дифференциал (межколесный или межосевой) — механическое устройство, передающее крутящий момент с одного входного вала на два выходных. Устройства, механически блокирующие два конца одного и того же вала (электромагнитные, гидравлические и пневматические муфты, вискомуфты) могут входить в состав дифференциалов в качестве исполнительного механизма, но сами по себе дифференциалами не являются.

Дифференциалы Torsen описаны в отдельной статье. «Активный» дифференциал ATTS компании Honda также описан отдельно. Схемы полного привода (4WD) также рассмотрены отдельно, т.к. тот или иной конкретный набор дифференциалов и муфт является для полного привода лишь набором исполнительных механизмов.



Ниже перечислены:

  • открытый дифференциал (простейший случай);
  • дифференциал с полной ручной (принудительной) блокировкой;
  • дифференциал с кулачковой и зубчатой автоматической блокировкой;
  • дифференциал speed sensitive LSD с вискомуфтой;
  • героторный speed sensitive LSD (Gerodisk или Hydra-lock);
  • torque sensitive LSD с фрикционными блоками преднатяга;
  • torque sensitive LSD с гипоидным (червячным или винтовым) и косозубым зацеплением;
  • дифференциал с «электронной блокировкой».

Зачем вообще нужен дифференциал

В повороте любой автомобиль (не важно, полно- или моноприводный) двигается так, что все его колеса проходят разное расстояние и поэтому должны вращаться с разными угловыми скоростями. В противном случае возникают два негативных 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) и появления у авто сильной недостаточной поворачиваемости («эффект плуга»).

Зачем нужны дифференциалы

Т.о., 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.

Обеспечение вращения в повороте всех колес машины с разными скоростями требует применения на машине по одному дифференциалу на каждой ведущей (т.е. цельной) оси, а для полноприводных машин требует и межосевого дифференциала. Если межосевого дифференциала нет — полный привод ненастоящий и не может называться постоянным.

Принцип действия «открытого» дифференциала

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 колёс 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.

Конструкция дифференциала

1 — шестерни полуосей; 2,3 — ведомая и ведущая шестерня главной передачи; 4 — сателлиты; 5 — корпус.

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, 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 авто в целом), 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.

Помимо проблем с проходимостью, «открытый» межколёсный дифференциал 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 явления направлен постоянный полный привод (full-time 4WD) на обычных дорожных машинах.

Блокируемые дифференциалы

В борьбе с бесполезным вращением незагруженного колеса (оси) техническая мысль шла 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) блокировкой

Дифференциалы 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 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.

Ниже изображена схема блокировки компании ARB для мостового дифференциала, в которой сателлиты блокируются дистанционным приводом. В основном в таких дифференциалах используются пневматические, электрические, гидравлические или механические приводы. Данный тип блокировки применяется как для мостовых, так и для межосевых дифференциалов.

схема блокировки мостового дифференциала компании ARB

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 в управляемости. Включать такие блокировки можно только на неподвижном автомобиле.

Кулачковые и зубчатые автоматические блокировки

В таких блокировках вместо классического шестерёнчатого 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):

Detroit E-Z Locker (компания Tractech)

Блокировка Detroit Locker:

Detroit Locker

Кулачковая блокировка БТР-60:

кулачковая блокировка БТР-60

Дифференциалы повышенного трения (LSD)

Limited Slip Differentials — дифференциалы с ограниченным «забеганием» (дословно — «проскальзыванием») забегающей полуоси относительно отстающей, они же самоблокирующиеся дифференциалы («самоблоки») и дифференциалы повышенного трения. Чем выше внутреннее трение в дифференциале, тем выше коэффициент его блокировки – т.е. тем больше крутящего момента дифференциал может перераспределить в пользу небуксующего колеса. По принципу действия самоблоки 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.

Speed sensitive LSD с вискомуфтой

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 (отстающая 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.

Speed Sensitive LSD с вискомуфтой

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 и Mitsubishi SuperSelect).

Сегодня от использования таких дифференциалов отказались по двум причинам: дороговизне вискомуфты относительно электромагнитных муфт и необходимости принудительно размыкать блокировку для корректной работы ABS (вискомуфта принципиально не умеет размыкаться принудительно).

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.

Героторный дифференциал (Gerodisk или Hydra-lock)

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 преднатяга

Такие 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).

Дифференциал с фрикционными блоками преднатяга

Torque sensitive LSD с гипоидным (червячным или винтовым) и косозубым зацеплением

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. Подробно эти дифференциалы описаны в статье про Torsen.

Данные 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). Они 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» блокировки — системы контроля тормозных усилий

Идея данных систем крайне проста. Раз все машины всё 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.

Первоисточники

2 комментария к «Какие бывают дифференциалы»

  1. Здравствуйте. При покупке авто мазда МПВ 1996г.в. продавец предупредил меня что на машине стоит в заднем мосту дифференциал повышенного трения LSD и в нем залито специальное масло. Проехав на машине три тысячи км. я заметил значительно усиливающийся шум от редуктора. Особенно после динамичного разгона выйдя на прямую передачу, и после сбрасывания газа. В чем может быть причина этого шума? Что мне делать? Спасибо.

  2. Ну причина очевидно в начавшемся разрушении редуктора. Надо срочно менять масло, имхо.

    Владельцы похожих зверей есть? Подскажите, у кого подобное было.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

*