Как работает самоблокирующийся дифференциал и как он влияет на управляемость автомобиля

Что такое преднатяг дифференциала

Дифференциал автомобиля занимается распределением крутящего момента с ведущего вала на правое и левое полуоси. Состоит дифференциал из 4-х конических шестеренок. По габаритам не большой. Если колеса крутятся с одинаковой нагрузкой, то дифференциал распределяет силу вращения пополам (50:50).

Если одно колесо наехало, например, на лед, то дифференциал на одно колесо дает большую вращательную силу, а на другую — меньшую. То колесо, которое на льду, получает повышенную угловую скорость и станет ведущим, а то колесо, которое крутится по асфальту — перестанет получать вращательную скорость и станет ведомым. Из-за этого, то, что момент вращения передается только на одно колесо, причем на то, которое находится (в данном случае) на льду, управление и проходимость автомобилем сильно ухудшается. Но, для сохранения управляемости и проходимости, ведущим колесо должно было стать то колесо, которое на асфальте. Чтобы избежать такого ненужного эффекта, было изобретено устройство — автоматический дифференциал повышенного трения.

Самоблокирующиеся дифференциалы

Механизм повышенного трения — это многодисковый дифференциал, вискомуфта, самоблокирующийся дифференциал «Квайф» и «Торсен» осуществляет частичную блокировку автоматически, без переключения рукоятки водителем.

Отличие автоматического дифференциала от симметричного в том, что автоматический самоблокирующийся имеет пружинный пакет фрикционных дисков.

Состоит автодифференциал из:

• ведомые червячные (полуосевые) шестерни;
• ведущие червячные (саттелиты) шестерни.

Оси сателлиты и полуосей параллельны друг другу. Если одно колесо, допустим правое, начинает вращаться медленнее, чем колесо напротив, то, соответственно, и полуось с шестерней вращается медленнее и вращает с такой же угловой скоростью сателлит 2. Сателлит 2 передает вращение сателлиту 3. Сателлит 3 передает вращение шестеренке полуоси 4. В результате — разные угловые скорости колес на повороте.

Из-за того, что крутящие моменты в винтовом зацеплении разные, появляются осевые и радиальные силы, которые прижимают шестерни 1 и 4, сателлиты 2 и 3 торцами к крышке дифференциала. Червячные сателлиты 2 и 3 прижимаются к поверхностям отверстий, в которых они сидят. Благодаря образующимся при этом силам, происходит блокировка полуосей. Насколько сильно заблокируется полуось, определяется коэффициентом блокировки.

Характеристики дифференциала самоблока:

• коэффициент блокировки дифференциала в % (КБД) (зависит от наклона зубьев, если винтообразный, или, если это диск, то углом чашки);
• преднатяг блокировки в кг (это статическое сопротивление между 2 полуосями).

КБД — это отношение моментов сил отстающего к забегающему, то есть крутящий момент отстающего колеса делим на крутящий момент колеса, которое быстрее вращается.

Преимущества самоблокирующегося дифференциала:

1. Водителю не требуется самому включать самоблок дифференциала, все происходит автоматически.
2. Устраняет пробуксовку при разных значения сцепления колес.
3. Улучшает проходимость и динамику управления автомобилей на разных дорогах.
4. Эффективность разгона возрастает на разных дорожных покрытиях.
5. Детали самоблокирующегося и обычного дифференциалов взаимозаменяемы.
6. Какая-либо полуось не сломается, потому что нет полной блокировки колес.
7. Отключение, то есть разблокировка осуществляется путем сброса педали газа.

Самоблокирующиеся винтовые дифференциалы эффективно подходят для обычного автомобиля. Такие устройства надежные. Рабочий эксплуатационный ресурс винтовых самоблоков такой же, как и у коробок переключения передач (КПП). Они плавно активируются и дезактивируются.

Гидравлический привод

Использование гидравлического привода блокировки предусматривает использование главного и нескольких рабочих цилиндров, в то время как исполнительным элементом здесь выступает пневмоцилиндр. Если рассматривается электрический привод, то для замыкания муфты в нем применяется специальный электродвигатель. Сама же блокировка включается посредством нажатия определенной кнопки, находящейся на приборной панели.

Использование жесткой принудительной блокировки часто используется тогда, когда автомобиль должен преодолевать какие-либо труднопроходимые участки, а после их прохождения его моментально выключают. Часто его могут устанавливать (если не используется самоблокирующийся дифференциал) на «Ниву», а также другие полноприводные автомобили.

Конструктивные особенности

Все существующие технические решения блокировки с ручным способом включения, позволяющие принудительно обеспечить одинаковую скорость вращения колес ведущего моста, связаны с торможением осевого вращения шестерен сателлитов. Данная функция в современных автомобилях реализована посредством кнопки электронной блокировки дифференциала, связанной с обмоткой, приводящей в действие толкатель и стопорную пластину, блокирующую вращение сателлитов.

Учитывая повышенную нагрузку на трансмиссию, больший расход топлива и ускоренный износ резины при длительной эксплуатации автомобиля с включенной жесткой блокировкой, некоторые варианты конструкций предусматривают автоматическую разблокировку дифференциала при наборе автомобилем определенной скорости. В настоящее время в торговле представлено множество вариантов «жесткой» блокировки дифференциала на УАЗ и Ниву, которые при правильном использовании способны существенно улучшить ходовые возможности автомобиля при езде по бездорожью.

Самоблокирующиеся дифференциалы лишены недостатков, присущих механизмам принудительного включения и отключения. В основе большинства известных и широко применяющихся систем данного типа лежат четыре конструктивных решения:

Существуют и другие конструкции самоблокирующихся дифференциалов, многие из которых созданы российскими инженерами – механиками. Каждый желающий может подыскать надежную, функциональную и оптимальную по затратам на приобретение и установку систему блокировки, разработанную для конкретной модели автомобиля, или воспользоваться одной из универсальных конструкций.

Электронное управление дифференциалом

В современном автомобилестроении применяется все больше и больше электронных систем контроля за движением автомобиля. Уже редко можно встретить автомобили, не оснащенные системой ABS (не дающей колесам заблокироваться при торможении). Более того, уже с конца 80-х годов прошлого века передовые производители стали комплектовать свои флагманские модели системами контроля тяги и сцепления колес — Traction Control. Например, Тойота установила систему Traction Control на Lexus LS400 в 1989 (90) году. Принцип работы такой системы прост: универсальные (так же обслуживают ABS) датчики вращения, установленные на контролируемых колесах, фиксируют начало пробуксовки одного колеса оси относительно другого и система автоматически притормаживает забуксовавшее колесо, тем самым увеличивая на него нагрузку и вынуждая дифференциал отдать момент на колесо с хорошим сцеплением. При сильной пробуксовке, система так же может ограничивать подачу топлива в цилиндры. Работа такой системы очень эффективна, особенно на заднеприводных автомобилях. Как правило, при желании такую систему можно принудительно деактивировать кнопкой на приборной панели.Со временем, электронная система контроля тормозных усилий совершенствовалась и к ней добавлялись все новые функции, работающие наряду с ABS и TRAC. (например управление разностью разблокировки рулевых колес для более успешного прохождения поворотов). У всех производителей эти функции назывались по разному, однако смысл при этом оставался одинаковым. И вот, данные системы стали устанавливаться на полноприводные автомобили и внедорожники, причем в некоторых случаях они являются единственным средством контроля тяги и перераспределения крутящего момента между осями и колесами (Mercedes ML, BMW X5). В случае, если внедорожник оснащен более серьезными средствами распределения крутящего момента (жесткими блокировками и/или самоблокирующимися дифференциалами), то электронная система контроля тормозных усилий очень удачно дополняет эти средства. Хороший пример тому — великолепная управляемость и проходимость последнего поколения Тойотовских внедорожников 4Runner (Hilux Surf), Prado, Lexus GX470. Являясь представителями одной платформы, они обладают межосевым дифференциалом Torsen T-3 с возможностью жесткой блокировки, а так же электронной системой контроля тормозных усилий и тяги со множеством функций, помогающих водителю управлять автомобилем.Преимущество электронного управления в том, что повышается тяга в повороте, и степень блокировки можно настроить в зависимости от предпочтений гонщика. На прямой совсем не теряется мощность двигателя. Недостаток в том, что датчики и исполнительные механизмы обладают некоторой инерцией, и такой дифференциал нечувствителен к быстро меняющимся дорожным условиям.

Принудительный

Ручная блокировка в преимущественном большинстве случаев осуществляется при помощи кулачковой муфты, посредством которой можно добиться достаточно жесткого соединения между корпусом дифференциала и полуосью. Замыкание или же размыкание в данном случае осуществляется при помощи электрического, механического, пневматического или гидравлического привода.

В механическом приводе объединяются рычаг и тросы или же целая система специальных рычагов. В данном случае самоблокирующийся дифференциал не используется, а вместо него водитель осуществляет все процедуры самостоятельно посредством перемещения рычага в нужное положение на абсолютно неподвижном автомобиле.

Вязкостная муфта

Вязкостная муфта или вискомуфта представляет собой, по сути, упрощенный и унифицированный вариант дискового дифференциала. Основным элементом конструкции является резервуар с вязкой жидкостью, в которой расположены наборы фрикционов – один соединен с полуосью, второй сообщается с ротором. Это позволяет пропорционально увеличивать сопротивление с увеличением разницы между угловыми скоростями вращения ведущих колес.

Главное достоинство вискомуфты – простота и дешевизна. Тем не менее, она достаточно громоздка и малоэффективна в действительно экстремальных дорожных условиях. Поэтому основная сфера применения муфты – недорогие легкие кроссоверы. Так она полностью раскрывает свой потенциал, выступает в роли удобно и надежного механизма.

В последние годы появление новых конструкционных материалов, совершенствование технологий их обработки и расширение возможностей компьютерного моделирования сформировали благоприятные условия для развития самоблокирующихся дифференциалов. Известные и проверенные конструкции улучшаются, создаются новые, перспективные механизмы. Вполне возможно, что вскоре самоблокирующийся дифференциал станет неотъемлемой частью большинства автомобилей.

Типы устройств блокировки

Блокирующее устройство узла зависит от его типа и используемого механизма. Различные функции ограничены и определяют возможность их использования в межосевых или межколесных дифференциалах.

Кулачковое устройство блокировки

Принудительная блокировка происходит вручную через кулачковую муфту. Муфта полностью блокирует механизм и жестко соединяет его корпус с нагруженной полуосью. Кулачковый дифференциал приводится в действие приводами следующих типов:

• механический;
• гидравлический;
• пневматический;
• электрический.

Они включаются рычажным механизмом или специальной кнопкой на панели приборов (для электропривода).

Благодаря своей универсальности кулачковый дифференциал используется в межосевых и межколесных механизмах.

Самоблокирующейся дифференциал

Самоблокирующееся (автоматическое) дифференциальное устройство использует принцип увеличения сил трения при изменении условий нагрузки на полуоси ведущих колес. Отсюда и другое название — «дифференциал повышенного трения» или LSD (Limited Slip Differential).

Дифференциал повышенного трения имеет четыре основных варианта в зависимости от способа увеличения трения:

• дисковый;
• червячный;
• вискомуфта;
• электронная блокировка.

Дисковый

Дифференциал повышенного трения, в котором используется дисковая муфта, использует принцип автоматической блокировки при изменении угловых скоростей полуосей: чем больше их разница, тем выше степень перераспределения крутящего момента.

При использовании этого типа LSD между дисками возникает трение. Один фрикционный пакет имеет жесткое соединение с чашкой дифференциала, другие — с полуосями.

Фрикционные пакеты вращаются с одинаковой скоростью, когда ведущие колеса вращаются тоже, с одной и той же скоростью. При изменении угловой скорости диски ускоряющейся полуоси передают часть крутящего момента на вал другой полуоси (частичная блокировка) за счет увеличения силы трения с фрикционным пакетом корпуса (чашкой).

Степень сжатия в дисковом дифференциале может быть постоянной (за счет пружин) или переменной (гидравлически управляемой).

Червячный

Сателлиты и полуоси с червячной передачей в качестве привода часто используются для создания LSD, блокируемого в результате разности крутящих моментов.

Эта система LSD с червячным приводом известна как Torque Sensing или сокращенно — Torsen. Принцип работы червячной передачи чрезвычайно прост: увеличение крутящего момента на одной полуоси приводит к частичной блокировке и его передаче на другую полуось. В этом случае не требуются никакие дополнительные системы или агрегатов, червячный узел изначально является самоблокирующимся из-за свойств привода, в котором другие шестерни не могут приводить в движение червячную передачу. Червячный привод применяется в колесных и межосевых дифференциалах различных типов машин.

Вискомуфта

Вязкостная муфта состоит из набора близко расположенных перфорированных дисков, которые размещены в герметичном корпусе с силиконовой жидкостью и соединены с чашкой и приводным валом.

При одинаковых угловых скоростях устройство работает в штатном режиме. Его блокировка происходит при увеличении скорости вала: диски на нем увеличивают скорость и, перемешивая силикон и заставляют его затвердеть. Диски чашки получают и передают крутящий момент на другой вал, увеличивая его тяговое усилие.

LSD, блокирующую функцию которого выполняет вязкостная муфта, имеет большие габаритные размеры и применяется в межосевых дифференциалах. Вязкостная муфта также может использоваться как дифференциал полноприводного автомобиля и полностью выполняет его функции.

Однако у нее есть один серьезный недостаток: возможен перегрев и периодическая несовместимость с системой ABS. Это привело к тому, что вискомуфты используются в современных автомобилях крайне редко.

Электронная блокировка

Дифференциал повышенного трения, в котором используется электронная система блокировки, реагирует на изменение угловой скорости ведущих колес.

Дифференциал управляется программно. По мере увеличения скорости колеса в тормозной системе повышается давление, и его скорость уменьшается. Это увеличивает тяговое усилие и передает крутящий момент на другое колесо.

Таким образом, дифференциал не оборудован дополнительными элементами и не блокируется, то есть по сути это не LSD. Перераспределение крутящего момента и выравнивание угловых скоростей происходит под действием тормозной системы, управляемой антипробуксовочной системой.

Червоточина

Среди червячных самоблоков наибольшую известность получил дифференциал Torsen. Его название произошло от английского термина torque sensitive, «чувствительный к крутящему моменту». Такой дифференциал первого типа (Т1) был изобретен еще в 1958 году, тем не менее возможности этой конструкции по сей день остаются непревзойденными.

От свободного дифференциала конструкция Т1 отличается очень сильно. Роль привычных сателлитов играет замысловатая червячная передача, густо «наросшая» поверх полуосевых шестерен. Благодаря особенности своей работы она способна блокировать дифференциал. Дело в том, что червячная передача необратима: перенос момента возможен только от ведущего звена (червяк) к ведомому (полуосевая шестерня). То есть при пробуксовке колеса его полуосевая шестерня не сможет провернуть червяк из-за больших сил трения.

Червячный самоблокирующийся дифференциал Torsen T1 (схема 2): 1 — корпус дифференциала; 2 — левая полуосевая шестерня; 3 — пара червячных сателлитов; 4 — правая полуосевая шестерня; 5 — ось сателлита; 6 — прямозубые шестерни взаимного зацепления сателлитов.

Что такое блокировка дифференциала в автомобиле

Это способ заблокировать сателлиты, чтобы исключить их вращение вокруг своей оси или соединить шестерню полуоси с корпусом дифференциала. Крутящий момент будет передаваться равномерно или в определенном соотношении между двумя полуосями ведущих колес. Существует два вида блокировок – жесткая и частичная.

В первом случае, все части дифференциала будут заблокированы, момент будет передаваться на все ведущие колеса. На многих внедорожниках этот режим называется «Lock». Второй вид – в нем используются дифференциалы повышенного трения. В них мощность передается в определенной пропорции между буксующим колесом и заблокированным. Чем быстрее вращается свободная ось, тем больше крутящего момента идет на «стоячее» колесо.

Жесткая или принудительная блокировка

Она активируется принудительным нажатием кнопки в салоне или физическим перемещением определенного элемента в механизме. В последнем случае водителю нужно было перемещать рычаг и при помощи тросов происходило смещение муфты, блокирующей ось колеса с корпусом дифференциала. В современных авто применяются пневматические, гидравлические или электрические привода. В некоторых случаях используется не межколесная блокировка, а межосевая, мощность передается между передними и задними колесами машины в соотношении 50:50, 50:40, в зависимости от настроек.

Частичная блокировка или LSD

LSD – этот термин означает, что в авто применяется дифференциалы ограниченного, частичного проскальзывания.

Они бывают:

Вязкостная муфта (вискомуфта). Состоит из набора дисков, часть которых закреплена с корпусом, вторая – с ведущим валом. Вся конструкция находится в герметичном корпусе, заполненном специальным силиконом. При увеличении скорости вращения ведущего вала выше скорости корпуса, диски на валу начинают мешать собой силикон. Он меняет свои свойства, становится вязким. Тем самым повышается коэффициент трения между дисками, дифференциал блокируется. При уравнивании скоростей, силиконовая смазка восстанавливает свою вязкость и диски разблокируются.

Дисковые муфты повышенного трения. В них вместо силикона применяются фрикционные диски. Часть находится на полуоси, часть на корпусе дифференциала. При прямолинейном движении колес весь механизм работает как одно целой. При проскальзывании одной из осей, за счет силы трения дисков он блокируется, передавая момент на оба колеса.

Червячные. Ярким примером является дифференциал Торсен. В его конструкции применяются сателлиты червячного типа, которые могут вращаться от червячных шестерен полуосей, а сами вращать их не могут – блокируются. При повышении угловой скорости одной оси происходит блокировка сателлитов и перераспределение мощности на колесо с хорошим сцеплением с дорогой. Чем быстрее проскальзывает колесо, тем больше момента передается на другую ось. Происходит автоматическая частичная блокировка дифференциала, без участия водителя. При выравнивании скоростей, червячные сателлиты разблокируются и механизм вернется в исходное состояние.

В последнее время на современных автомобилях появилась третий вид блокировок – имитация блокировки межколесного дифференциала. Здесь все происходит в автоматическом режиме. Система считывает данные с датчиков ABS о скорости вращения ведущих колес. Если они сильно различаются, то тормозная система «прикусывает» колесо, которое быстрее крутится, буксует, часть энергии вращения передается на колесо с хорошим сцеплением. В данных системах не применяются дорогие и сложные конструкции для блокировок, используется свободный дифференциал и электронная система с датчиками АБС – это удешевляет конструкцию и конечную стоимость автомобиля. Но эффективности в ней меньше, чем настоящих, физических блокировок. Подробнее о принципах работы разных типов дифференциалов поговорим в других статьях. Сейчас приведем основные недостатки таких блокировочных механизмов.

1. Сложная конструкция, ведущая к дорогому ремонту
2. Повышенные требования к обслуживанию
3. Большой нагрев механизма, в результате повышенного трения элементов. При длительном использовании сокращается срок службы деталей и всего агрегата в целом
4. Установка дополнительной электроники, контролирующей температуру элементов муфты и другие параметры, обеспечивающие надежность, долговечность механизма

DPS

Dual Pump System — система с двумя насосами, автоматически подключающая вторую ось, когда не хватает одной. Применяется в системах полного привода Honda. Достоинства: работает автоматически, на хорошей дороге экономит бензин. Недостатки: ограниченная проходимость, сложность, ограничения на буксировку.

Шестеренчатые самоблокирующиеся дифференциалы

Существует три типа таких дифференциалов:

• планетарные
• Quaife
• Torsen. 

Все они основаны на свойстве косозубой или червячной передачи «заклинивать» при определенном соотношении крутящих моментов. Такие дифференциалы передают большую часть крутящего момента (до 80%) небуксующему колесу. Применяются во внедорожниках и гоночных автомобилях. Недостатки: сложность; большая потеря мощности, чем у обычного дифференциала.Дифференциал типа Torsen изобретен в 1958 г. американцем Верноном Глизманом. Имеет достоинства вязкостной муфты и не имеет ее недостатков. Принцип работы основан на свойстве червячной передачи «расклиниваться». Название Torsen произошло от англ. Torque sensitive («чувствительный к крутящему моменту»). Torsen — товарный знак JTEKT Torsen North America Inc.

Разновидностей конструкций не так уж и много — можно выделить три основных:

Первый тип (T-1).Червячными парами являются шестерни ведущих полуосей и сателлиты. При этом каждая полуось имеет собственные сателлиты, которые парно связанны с сателлитами противоположной полуоси обычным прямозубым зацеплением. Следует отметить, что ось сателлита перпендикулярна полуоси. При нормальном движении и равенстве передаваемых на полуоси моментов, червячные пары «сателлит / ведущая шестерня» либо остановлены, либо проворачиваются, обеспечивая разницу угловых скоростей полуосей в повороте. Как только дифференциал пытается отдать момент на одну из полуосей, то червячную пару этой полуоси начинает расклинивать и блокировать с чашкой дифференциала, что приводит к частичной блокировке дифференциала. Данная конструкция работает в самом большом диапазоне отношений крутящего момента — от 2,5/1 до 5,0/1, то есть является самой мощной в серии. Диапазон срабатывания регулируется углом наклона зубцов червяка.Рис.10Рис.11Второй тип (T-2).Автором этого типа является англичанин Rod Quaife В данном случае, оси сателлитов параллельны полуосям. Сателлиты расположены в своеобразных карманах чашки дифференциала. При этом парные сателлиты имеют косозубое зацепление, которое расклиниваясь, так же участвует в процессе блокировки. Подобное устройство имеет и дифференциал TrueTrac компании EATON. Даже у нас в России появилось производство аналогичных дифференциалов под отечественные автомобили УАЗ и т. д.Рис.12Рис.13Третий тип (Т-3).Планетарная структура конструкции позволяет сместить номинальное распределение момента в пользу одной из осей. Срабатывание частичной блокировки происходит при 20–30% разнице в передаваемых на оси моментах. Подобная структура дифференциала делает его компактным, что в свою очередь, упрощает конструкцию и улучшает компоновку раздаточной коробки.Рис.14В отличие от других конструкций, датчики вращающего момента работают практически в любых условиях. Даже если колеса вращаются с различными скоростями (поворот, прохождение через ухабы), они тем не менее всегда получают вращающий момент основанный на сцеплении.Рис.15В целом, смещение номинального распределения момента между осями возможно в диапазоне от 65/35 до 35/65. Срабатывание частичной блокировки происходит при 20–30% разнице в передаваемых на оси моментах. Так же, подобная структура дифференциала делает его компактным, что в свою очередь, упрощает конструкцию и улучшает компоновку раздаточной коробки.Вышеописанные torque sensitive дифференциалы очень популярны в автоспорте. Более того, многие производители устанавливают такие дифференциалы на свои модели штатно, как в качестве межосевых, так и межколесных дифференциалов. Например, Тойота устанавливает такие дифференциалы как на легковые автомобили (Supra, Celica, Rav4, Lexus IS300, RX300 и. т. д), так и на внедорожники (4Runner / Hilux Surf, Land-Cruiser, Mega-Cruiser, Lexus GX470) и автобусы (Coaster Mini-Bus). Данные дифференциалы не требуют применения специальных присадок к маслу (в отличие от friction-based дифференциалов), однако лучше использовать качественное масло для нагруженных гипоидных передач. Не ниже API GL-5.

Коэффициент блокировки

Коэффициент блокировки – это величина, которая определяет повышение крутящего момента, присутствующего на свободном колесе. Данный показатель устанавливает отношение крутящего момента колеса с отставанием к такому же показателю на забегающем колесе. Для симметричного элемента коэффициент блокировки всегда составляет 1 по той причине, что крутящие моменты каждого из колес являются равными. В то же время дифференциал блокирующий имеет значение этого коэффициента на уровне около 3-5, причем дальнейшее увеличение является нежелательным, потому что может спровоцировать поломку различных элементов трансмиссии.

Блокировка часто используется как на межосевых, так и на межколесных устройствах. Стоит отметить, что передний самоблокирующийся дифференциал на «Ниву» и другие в полноприводные автомобили редко когда используется, так как он снижает управляемость.