Дифференциальное исчисление для внедорожника

Дифференциал — это устройство, распределяющее поток мощности от двигателя к колесам . В автомобиле с приводом на одну ось используется только один дифференциал, межколесный, в полноприводном автомобиле их целых три — два межколесных и один межосевой. Устройство это нужное и полезное. Дело в том, что автомобиль предназначен не только для движения по прямой, но может двигаться и по криволинейной траектории — то есть поворачивать. Любой, кто дал себе труд задуматься над этим вопросом, без труда заметит, что при повороте два колеса одной оси проходят разное расстояние, а значит и скорость их вращения тоже должна быть разной. Вот эту разницу и обеспечивает дифференциал. Эта важная функция, которая повышает управляемость машины в повороте, увеличивает «ходимость» покрышек, снижает вероятность заноса и так далее.

Тем не менее бывают в автомобильной жизни моменты, когда дифференциал начинает мешать движению. Если одно из двух ведущих колес попадает на скользкую поверхность, сопротивление его вращению резко падает, уменьшается сцепление с дорогой, и колесо не в состоянии обеспечить необходимую силу тяги. Такое колесо начнет пробуксовывать и вращаться быстрее чем надо. Второе колесо при этом может вообще остановиться. Вот и всё — вылезай и толкай! И тут-то хорошо бы этот самый дифференциал как-нибудь «выключить», чтобы дать возможность машине оттолкнуться всеми ведущими колесами. И собственно для этого и существует такое техническое явление, как «блокировка дифференциала». Блокировки используются на машинах повышенной проходимости, а так же на спортивных автомобилях — то есть там, где по разным причинам велика вероятность пробуксовки. Технических принципов блокировки превеликое множество, но для начала освежим в памяти устройство обычного, то есть «открытого» дифференциала.

Дифференциал 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. В общем, устройство не очень сложное. Принцип блокировки его тоже выглядит очевидным — остановить вращение сателлитов и все. Однако реализовать это можно самыми разными способами.

Принудительная блокировка

Самый простой способ блокировки дифференциала — принудительный. Водитель специальным приводом (механическим, пневматическим или даже электрическим) останавливает на время вращение сателлитов, и колеса автомобиля начинают вращаться с одинаковой скоростью. Это способ чаще всего применяется на внедорожниках . Система простая, надежная и очень эффективная. Единственный недостаток — пучок рычагов в салоне, которыми водитель должен своевременно включать и выключать блокировку, в зависимости от дорожных условий. Впрочем, в современных машинах рычаги чаще заменяются кнопками. Однако главная особенность сохраняется — решение о включении блокировки принимает и реализует водитель.

Принудительная блокировка хороша для настоящих внедорожников, штурмующих глубокие хляби российских просторов. Эффективная и надежная в грязи, она совершенно не годится для движения по дорогам, поэтому выключать блокировку вовремя так же важно, как включать, поскольку с заблокированным дифференциалом автомобиль расходует больше топлива , у него происходит интенсивный износ шин, а в крутом повороте заблокированную ось непременно занесет. Поэтому в эпоху всеобщей автоматизации естественно появился самоблокирующийся дифференциал.

Самоблокирующийся дифференциал

Самоблокирующийся дифференциал, как и следует из его названия, сам решает, когда ему следует включиться. Определяется это разницей скоростей вращения ведущих колес. Если эта разница невелика (автомобиль движется в повороте), то дифференциал ведет себя как обычный «открытый», но стоит одному из колес забуксовать, разность угловых скоростей колес резко увеличивается, и включается блокировка. Технически это может быть реализовано разными способами, но самые распространенные — дисковая (фрикционная, повышенного трения, LSD), вязкостная (вискомуфты) и винтовая (червячная).

Дисковая блокировка

Главная деталь в таком устройстве — фрикционная муфта. Ее вводят между одной из полуосей и коробкой дифференциала. Бронзовые диски установлены в шлицах гильзы, связанной с коробкой дифференциала, стальные диски сидят на шлицах полуоси. Диски прижимаются друг к другу пружинами. Когда оба колеса испытывают одинаковое сопротивление, весь дифференциал вращается как одно целое и трение в муфте отсутствует, если же момент на колесах разный, муфта начинает тормозить вращение более быстрого колеса.

Более сложная конструкция с двойными фрикционными муфтами получила распространение на американских автомобилях. В ней крестовина заменена двумя отдельными, пересекающимися под прямым углом осями сателлитов. Оси могут перемещаться относительно друг друга, для чего их концы имеют скосы. При не вращающихся сателлитах усилие к полуосям передается так же, как и в простом дифференциале. При вращении сателлитов последние будут сдвигать концевые скосы осей так, что усилие на фрикционную муфту, будет увеличиваться для отстающей полуоси и уменьшаться для оси, вращающейся быстрее. При этом величина подтормаживающего момента будет не постоянной, как в дифференциале с одной дисковой муфтой, а пропорциональной моменту, передаваемому колесам.

Для нормальной работы такого дифференциала требуется использование специального трансмиссионного масла. Кроме того, диски довольно быстро изнашиваются, и устройство требует частой регулировки. Дисковая блокировка — любимое решение автогонщиков-кроссовиков. Прежде всего, из-за возможности настройки срабатывания под конкретные условия на трассе. Однако для рядового пользователя имеют значение неслабые рывки, которые эта блокировка дает на руль при разгоне (на переднем приводе). Гонщики к этому готовы, а рядовой водитель может и не справиться.

Вязкостная блокировка

Принцип её действия весьма похож на дисковую, здесь даже присутствуют сами диски. Однако сцепление их происходит не за счет трения поверхностей, а за счет свойств особой вязкой жидкости на силиконовой основе, которая «умеет» затвердевать при нагреве. Гидравлическая муфта состоит из большого числа дисков с липкими рабочими поверхностями, которые передают крутящий момент в зависимости от разности частот вращения входных и выходных валов. Нагрев происходит, когда одна полуось начинает вращаться быстрее другой. В затвердевшем силиконе диски получают жесткое зацепление и полуоси блокируются. Вискомуфты не требуют обслуживания и считаются достаточно надежными, однако для их продолжительной работы необходимо сохранение полной герметичности устройства.

Вискомуфта хорошо подходит для эксплуатации в условиях нестабильного дорожного покрытия (снег, гололед, неглубокая грязь), однако в условиях настоящего бездорожья её способности далеко не выдающиеся: вискомуфта не справляется с постоянными сменами состояний сцепления мостов с грунтом, запаздывает при включении, перегревается и выходит из строя. Поэтому применяется такое решение чаще всего на сугубо «гражданских», дорожных автомобилях, где блокировка требуется неполная и ненадолго. Зато, в отличие от дисковой, она является штатным оборудованием для многих полноприводных машин. Такая схема была, например, в трансмиссии Mitsubishi Eclipse GSX, полноприводных Subaru с ручной коробкой передач, а так же в BMW325ix и полноприводной Toyota Celica turbo.

Винтовая блокировка

Принцип её действия таков: в обычном режиме винты (или червяки, как их называют из-за характерной формы) свободно обкатываются вокруг центральной шестерни. При этом каждая полуось имеет собственные сателлиты, которые парно связаны с сателлитами противоположной полуоси обычным прямозубым зацеплением. Ось сателлита перпендикулярна полуоси.

При нормальном движении и равенстве передаваемых на полуоси моментов гипоидные пары, состоящие из сателлита и ведущей шестерни, либо остановлены, либо поворачиваются, обеспечивая разницу угловых скоростей в повороте. Как только дифференциал пытается отдать момент на одну из полуосей, то гипоидную пару этой полуоси начинает расклинивать и в крайнем положении блокировать с чашкой дифференциала. Это приводит к частичной блокировке дифференциала. Когда момент выравнивается, винты возвращаются в исходное положение.

Данная конструкция работает в самом большом диапазоне отношений крутящего момента (от 2,5:1 до 5,0:1). Диапазон срабатывания регулируется углом наклона зубьев винта. Такие дифференциалы мало подвержены износу (срок службы устройства сопоставим с ресурсом коробки или классического дифференциала), а масло используется обычное трансмиссионное.

Винтовая блокировка (типы Torsen и Quaife) хорошо подойдет обычным автомобилям зимой, а также дачникам и туристам. Она не так эффективна, как остальные типы, и не годится для серьезного бездорожья, зато работает мягко и не требует от водителя специальных навыков управления. Долгое время Torsen был традиционным решением для Audi Quattro, но потом его сменили электронные системы.

Кулачковая блокировка

На гражданских автомобилях блокировка этого типа используется редко. У кулачковых блокировок вместо классического шестеренчатого планетарного механизма используются кулачковые пары, которые при небольшой разнице в угловых скоростях полуосей имеют возможность взаимно проворачиваться (перескакивать), а при пробуксовке заклиниваются и блокируют полуоси друг с другом. Некоторые виды устройств при срабатывании такой блокировки в повороте просто отключают одну из полуосей в момент возникновения небольшой разницы скоростей. Блокировка выключается, когда буксующее колесо прекратит проскальзывание. Этот тип дифференциалов довольно долговечен и не требует специальных масел. Именно поэтому такими блокировками оборудуются штатно дифференциалы военной и специальной техники (БТР и тому подобное).

Кулачковая блокировка надежна и эффективна, но срабатывает резко, очень жестко и блокирует намертво. Для легкового автомобиля такое решение неприемлемо — при высокой скорости движения срабатывание блокировки почти неизбежно вызовет моментальный занос. Поэтому кулачковые системы используют, в основном, экстремальные джиперы и военные.

Подключив мозги

Тенденция переводить как можно больше систем в автомобиле на управление по проводам не миновала и блокировки диффренциала. Грубо работающие механические системы сейчас успешно заменяют «умные» устройства, включающие блокировку по команде компьютера . Схема VTD (Variable Torque Distribution), например, применяется на звезде мирового ралли — Subaru Impreza. Блокировки там осуществляются гидромеханическими муфтами с электронным управлением. Принцип их действия несколько напоминает дисковые, но по команде компьютера степень прижатия дисков изменяется при помощи гидравлики, меняясь от «свободного» до полной блокировки. Это обеспечивает машине потрясающую свободу управления на любом покрытии. Похожим образом реализован и знаменитый xDrive от BMW — там тоже имеется пакет дисков, степень сжатия которых определяется электроникой. Причем технически эта система реализована удивительно изящно — маломощный электромотор, за ним два понижающих редуктора, червячный и планетарный, потом эксцентрик, который, поворачиваясь, смещает длинный рычаг. А тот, в свою очередь, зажимает пакет фрикционов.

Но самый удивительный и неочевидный способ реализации блокировки это… не блокировать дифференциал вообще! Как это возможно? Да запросто! Современные системы АБС позволяют управлять тормозными механизмами каждого колеса по отдельности, и этим вполне можно воспользоваться. Ведь достаточно притормозить проскальзывающее колесо, и обычный «свободный» дифференциал сам перекинет крутящий момент на другое, без всякого вмешательства в свою работу! Так, например, работает электронная система управления трансмиссией 4ETS, входящая в комплект «умного» полного привода 4Matic на автомобилях Mercedes.

Если автомобиль не потрудились оснастить блокировками на заводе — не отчаивайтесь. На большинство распространенных марок существуют тюнинговые наборы, заменяющие штатный дифференциал на самоблокирующийся — как правило, для этого используют винтовые системы Torsen и Quaife. Однако надо понимать, что всякое техническое изменение, вносимое в конструкцию автомобиля, имеет и свою обратную сторону, Так, самоблокирующие дифференциалы имеют меньший срок службы, увеличивают нагрузки на трансмиссию и изменяют поведение автомобиля в критических режимах. Так что есть смысл задуматься — стоит ли оно того?