4х4 Израиль.ru_лит

«С тех пор, как появились самодвижущиеся экипажи, дифференциалы
были в них неизбежным злом. Они получили широкое распространение
на паровых автомобилях еще до появления автомобилей с двигателями
внутреннего сгорания. Некоторые из их ранних моделей имели лишь
одно ведущее колесо, чтобы избежать применения дифференциала».
Перевод журнала «Ford Dealers News», август 1945 г.

«При создании оружия, боеприпасов и снаряжения, необходимых для
пополнения вооруженных сил, возникают многочисленные задачи, разрешение
которых имеет большое значение и для техники в целом. Самоблокирующиеся
дифференциалы, например, представляют интерес не только для военных
автомобилей, но также и для всего автостроения».
Altmann F.G., Heimann G. «Prufstandsversuche on Sperr…» 6.IX.1941.


Путешествие в мир самоблокирующихся дифференциалов.

Глава I. Первые дифференциалы.

Несмотря на то, что первые планетарные механизмы использовались еще древними римлянами, изобретение первых дифференциалов история почему-то приписывает Джемсу Старлею и Анри Пекеру, которые в 1877 г. практически одновременно сконструировали данные мкеханизмы, нашедшие широкое применение в трехколесных двухместных велосипедах.



А вот первые автомобили великолепно обходились без дифференциалов и имели цельную неразрезную ведущую ось. Скорости движения в то время были невелики, вес машин небольшой, в результате сила сцепления ведущих колес с дорогой была незначительной по величине и неизбежная разность в скоростях движения колес, возникающая при поворотах и переезде неровностей, компенсировалась проскальзыванием шин. Одним словом, вначале отсутствие дифференциала никого особо не беспокоило, люди ездили и радовались жизни.
Необходимо отметить, что первый легковой автомобиль, самостоятельно разработанный в СССР НАМИ-I, выпускаемый с 1927 по 1930 г. также не имел межколесного дифференциала, что пошло машине только на пользу. Дело в том, что дороги в то время в нашей стране были, мягко говоря, не очень (правильнее сказать их почти не было), поэтому данное конструктивное решение, при котором оба колеса имели жесткую связь между собой, обеспечивало легкой машине весом 450 кг отличную проходимость. Применение больших колес совместно с хребтовой трубчатой рамой при дорожном просвете 240 мм и практически отсутствующих свесах кузова превращало НАМИ-I в настоящий прочный заднеприводный вездеход. Говорят, что одну из этих машин жители Иркутска регулярно встречали на улицах своего города аж в 1969 г.


НАМИ-I

По мере развития автомобилей эксплуатационные скорости движения увеличивались, конструкции шасси усложнялись, быстро возрастал вес машин и наконец наступил тот прекрасный день, когда инженеры поняли, что пришла пора развязать ведущие колеса между собой, чтобы в повороте они могли вращаться с различной угловой скоростью без пробуксовки и ухудшения устойчивости и управляемости машины. Тут и пришла идея поставить в ведущую ось автомобиля дифференциал.
Но на следующий день после установки первого дифференциала конструкторы уже принялись ломать голову над созданием устройства, с помощью которого новоявленный дифференциал можно быстро заблокировать.
Дело в том, что дифференциал представляет собой трехзвенный планетарный механизм, распределяющий крутящий момент между выходными валами (полуосями) в определенной конструктивно заданной пропорции, позволяя при этом валам вращаться с различной угловой скоростью.



В межколесных дифференциалах крутящий (вращающий) момент от корпуса 1, связанного с ведомой шестерней главной передачи 5, передается через крестовину 3 (ось) шестерням-сателлитам 4, от них распределяется на две полуосевые шестерни 2, а от шестерней на полуоси 7, 8. Поскольку сателлит представляет собой равноплечий элемент, он прилагает к полуосевым шестерням равные усилия, следовательно на полуоси распределяются равные крутящие моменты (трением в элементах механизма пренебрегаем).
Таким образом, при повороте машины полуосевые шестерни вращаются с различными числами оборотов, но при этом сателлиты, вращаясь вокруг своих осей, передают каждой шестерне равные крутящие моменты.
Оказалось, что это очень полезное для устойчивости и управляемости свойство дифференциала существенно ухудшает проходимость. Дело в том, что пропорция распределения крутящего момента обычным дифференциалом (названным конструкторами «малого трения») задается колесом, имеющим худшее сцепление с дорогой. И если при движении или остановке автомобиля одно из колес попадает на лед, дифференциал может приложить к полуоси, связанной с этим колесом, небольшой по величине крутящий момент (из-за низкой силы сцепления колеса). А поскольку в конструкции дифференциала заложен принцип равного распределения момента между выходными валами, он, «ориентируясь» на колесо с меньшей силой сцепления, распределяет почти такой же по величине крутящий момент к полуоси колеса, имеющего большую по величине силу сцепления.
В результате этого крутящего момента, распределяемого дифференциалом к колесу, находящемуся на льду, вполне хватает, чтобы вызвать его буксование, а такого же по величине крутящего момента, распределяемого к колесу, находящемуся на твердом грунте, недостаточно, чтобы сорвать это колесо в пробуксовку. В итоге наблюдается неприглядная картина: машина стоит на месте и не может уехать по своим неотложным машинным делам, одно из колес буксует, другое неподвижно, но при этом дифференциал по-честному распределяет крутящий момент между колесами поровну (почти).
Конструкторы быстро сообразили, как исправить данный недостаток дифференциала и организовали возможность его принудительного отключения (блокировки) путем жесткого механического соединения полуосей с помощью пальцевых, кулачковых или шлицевых муфт. Муфта в обход дифференциала соединяла полуоси в единую ось и после этого каждое колесо, вращаясь с равной угловой скоростью, могло полностью использовать для движения автомобиля силу своего сцепления с опорной поверхностью. Пальцевые муфты в конструкциях как-то не прижились, а вот кулачковые и зубчатые используются и по сей день.


1 - разъемный корпус дифференциала; 2 - сателлиты; 3 - крестовина; 4 - полуосевые шестерни; 5 - пальцевая муфта.

Привод муфт был организован с помощью тяг, в результате из пола автомобиля «вырос» дополнительный рычаг блокировки дифференциала.
Но по мере развития мирового автопрома, повлекшее широкое распространение автмобиля в массы, такое техническое решение выявило определенные недостатки. Шоферы часто забывали заранее заблокировать дифференциал перед выездом на бездорожье, в результате автомобиль сначала застревал, а уж потом шофер вспоминал о блокировке, да было уже поздно. Каждый знает, с каой легкостью можно засадить машину, и как потом тяжело вытащить ее из засады. Но это была еще не самая большая беда.
Хуже того, шофер, включив блокировку на слабых грунтах, забывал ее отключить при выезде на шоссе. В результате ломалась трансмиссия, у шофера портилось настроение, да к тому же машины стали активно скупать блондинки, которые приходили в отчаяние при виде леса рычагов, торчащих из пола.


Первые автоблондинки.

А некоторые затейники-конструкторы с целью улучшения проходимости выдумали использовать два ручника. Левый блокировал левое колесо, правый – правое. И если при остановке машины на обочине правое колесо оказывалось на льду, а левое на асфальте, шофер зажимал правым ручником правое колесо и машина выезжала за счет силы тяги левого колеса. Голь на выдумки хитра.
Конструкторская мысль не стоит на месте и инженеры во всем мире ломали голову над тем, как изготовить такой автоматический механизм, который бы обладал всеми достоинствами дифференциала и в то же время был бы лишен его недостатков. Требовалось сконструировать механизмы, которые сохраняя дифференциальный эффект, обеспечивали бы такое неравное перераспределение крутящего момента между ведущими колесами, при котором создавалась максимально возможная сила тяги у колеса, находящегося в лучших сцепных условиях, при неизбежном уменьшении тяговой силы колеса, имеющего худшее сцепление.
Для достижения этой цели требовалось изобрести такой механизм, который бы сохраняя дифференциальный эффект (возможность вращения полуосей с неравными угловыми скоростями), обеспечил бы автоматически меняющееся силовое передаточное отношение между полуосями (пропорцию распределения крутящего момента) в непрерывно изменяющихся сцепных условиях колес, в результате чего каждое из колес могло бы полностью использовать для движения машины силу своего сцепления с дорогой без буксования.
Задача эта до настоящего времени еще полностью не разрешена, но попытки были.
Первым шагом в решении данной задачи было изобретение самоблокирующихся дифференциалов, которым советские конструкторы дали наименование «повышенного трения».

Глава II Некоторые понятия и термины из теории автомобиля.

Немного скучной теории, без которой при изучении дифференциалов ну просто никак.
Крутящий момент Мк – сила, приложенная к валу и вызывающая его вращение. Поршни в двигателе, совершая возвратно-поступательное движение, прилагают силу к коленчатому валу, вращают его, затем Мк от коленвала через валы и шестерни трансмиссии подводится к полуосям ведущих колес. Колеса преобразуют Мк в окружную силу Рок, которую они прикладывают к дороге в пятне своего контакта с ней. В результате от дороги к колесам прикладывается противодействующая (реакционная) сила, которая толкает колеса и вызывает движение машины. Эту силу называют сила тяги Т или тангенциальная (касательная) реакция дороги Rx.
Если сила сцепления колеса с дорогой в пятне контакта будет низкой по величине (мокрый лед), колесо не сможет приложить к дороге большую по величине окружную силу, следовательно и дорога не сможет приложить к колесу большую по величине тяговую силу. Вследствие данного фактора к полуоси, связанной с этим колесом, дифференциал не сможет распределить большой по величине Мк – это физически невозможно.
Таким образом, сила сцепления колеса с дорогой является важнейшим фактором, определяющим возможность поступательного движения автомобиля. У машины может быть мощнейший мотор, способный развить чудовищный крутящий момент порядка 1000 Нм, ее трансмиссия может увеличить это значение в 30 и более раз, но этот огромный потенциал так и останется невостребованным из-за низкого значения силы сцепления колеса с дорогой. Величина этой силы зависит от двух основных факторов: части от общего веса автомобиля, приходящегося на колесо (сцепной вес) и коэффициента сцепления колеса с дорогой Ксц. Сила сцепления равна произведению величины сцепного веса на Ксц
http://marrrrrrrrr.users.photofile.ru/p ... 375144.jpg



Колесо «давит» на дорогу, в результате от дороги к колесу прилагается равнодействующая сила, которая в теории именуется нормальная реакция дороги Rz.
А когда машина проходит в поворот, из центра поворота к ней прилагается центробежная сила, стремящаяся вытолкнуть машину наружу поворота. В результате между колесами машины и дорогой возникает пара сил: боковая сила, действующая от колеса к дороге и реакционная сила, действующая от дороги к колесу и препятствующая его поперечному скольжению. Эта сила именуется боковая реакция дороги Ry.
Соотношение величин вышеперечисленных сил Rx, Rz, и Ry очень важно, оно определяет вероятность продольного (побуксовка; юз) или поперечного (занос) скольжения колес в различных режимах движения.
Машина может поступательно двигаться лишь в том случае, если величина тяговой силы будет больше суммарной составляющей сил сопротивления движению: силы сопротивления качению; силы сопротивления воздуха; силы сопротивления подъему; силы сопротивления разгону. У внедорожника к перечисленным может добавиться сила сопротивления грунта при его контакте с картерами мостов или иными элементами подвески или системы выпуска.

Как говорилось выше, дифференциал представляет собой планетарный шестеренчатый механизм, в котором три основных звена: корпус, соединенный с ведомой шестерней главной передачи, и два выходных вала имеют возможность вращаться с различными угловыми скоростями.

Дифференциалы, применяемые в современных легковых автомобилях, можно условно разделить на следующие группы:

а) по назначению:
межколесные – распределяют крутящий момент между колесам одной оси;
межосевые – распределяют крутящий момент между двумя ведущими осями;

б) по конструкции применяемых деталей:
конические – состоят из шестерен конической формы;
цилиндрические: состоят из шестерен цилиндрической формы;
кулачковые – состоят из сепаратора с плунжерами, передающими усилие на две кулачковые звездочки;
червячные – в них для кинематической связи используются червячные передачи;

в) по кинематическому передаточному числу:
симметричные – в которых сателлиты имеют одинаковые размеры и равное число зубьев и полуосевые шестерни тоже имеют одинаковые размеры и равное число зубьев;
несимметричные - в которых полуосевые шестерни имеют неодинаковые размеры и неравное число зубьев;

г) по заложенному в конструкцию внутреннему трению:
малого трения – в которых приняты конструктивные меры для повышения КПД и сила трения между деталями имеет низкие значения;
повышенного трения (самоблокирующиеся) – в которых приняты конструктивные меры по намеренному снижению КПД и повышению силы трения между деталями.

В межколесном приводе автомобилей используются только симметричные дифференциалы, в межосевом как симметричные, так и несимметричные (несимметричные в последнее время преобладают).
Симметричные дифференциалы малого трения всегда распределяют крутящие моменты в почти равной пропорции, несимметричные в неравной, но определенно заданной пропорции, которая постоянна и не зависит от изменения угловых скоростей выходных валов дифференциала. Дифференциалы повышенного трения также могут быть кинематически симметричны или несимметричны, но пропорция распределения Мк в данных механизмах определяется другими конструктивными особенностями.

Глава III Принципы и свойства дифференциалов повышенного трения (самоблокирующихся).

Как говорилось ранее, перед конструкторами встала задача изменить свойство обычного дифференциала выравнивать крутящий момент между колесами путем его уменьшения на колесе, имеющем лучшее сцепление с дорогой. Конструкторская мысль пошла по трем основным направлениям:
I. Конструирование дифференциалов повышенного трения на основе серийно выпускаемых конических и цилиндрических диффференциалов.
II. Изготовление новых по конструкции дифференциалов повышенного трения с намеренно пониженным КПД.
III. Изготовление механизмов, автоматически блокирующих обычные дифференциалы. Механизмы, входящие в данную группу самоблокирующимися дифференциалами не являются (хотя для простоты многие их так называют) и будут рассмотрены отдельно.
Главная идея любого дифференциала повышенного трения (далее по тексту ДПТ) состоит в том, чтобы механически связать его выходные валы (полуоси) между собой. При этом связь не должна быть жесткой, как при использовании шлицевых блокирующих муфт. Необходимо было создать такой дифференциальный механизм, который бы исключил возможность раздельного буксования колес ведущего моста при движении на деформируемых грунтах и по снегу, когда может возникнуть существенное различие сил сцепления колес с грунтом, и не препятствовал вращению колес с различными угловыми скоростями во время прохождения поворотов и переезда неровностей при движении по шоссе и грунтовым дорогам, когда колесам одной оси необходимо проходить неравные пути. Эти две задачи состоят во взаимном противоречии, но, тем не менее, были изготовлены дифференциалы, которыми они были успешно решены.
В английском языке такие механизмы обычно именуют «limited sleep» (ограниченного проскальзывания) или «Torque Sensing» (моменточувствительные). На мой взгляд, оба этих термина не совсем верно отражают принцип действия данных механизмов.
Я не перестаю удивляться богатству и полнозвучию русского языка, наверное ни один язык в мире не предоставит такого обилия в выборе нужных слов, позволяющих точно описать сложный процесс или явление. При описании самоблокирующихся дифференциалов советские конструкторы использовали словосочетание «самотормозящийся механизм». Это выражение точно и кратко характеризует процессы, происходящие в ДПТ. Именно взаимное самоторможение деталей дифференциала друг о друга, обусловленное наличием сил трения между деталями, препятствует полуосевым шестерням и связанным с ними выходным валам совершать относительное движение, то есть вращаться с неравными угловыми скоростями. Колесо, находящееся в условиях низкого сцепления с дорогой, через связанную с ним полуось тормозится об дифференциал, что препятствует его ненужному раскручиванию (буксованию). И при этом тормозясь, оно как бы подкручивает через детали дифференциала другое колесо, находящееся в лучших условиях сцепления. В результате при уменьшении тяговой силы на колесе с худшим сцеплением происходит увеличение тяговой силы на колесе с лучшим сцеплением, соответственно в это же время происходит перераспределение величин Мк: Мк приложенный к полуоси колеса с худшим сцеплением уменьшается, с лучшим – увеличивается. В этом режиме ДПТ уже не делит Мк между колесами 50/50, как обычный дифференциал, не выравнивает моменты между колесами путем снижения суммарного Мк колес оси, а создает условия для перераспределения большего по величине крутящего момента к полуоси колеса, находящегося в лучших сцепных условиях.
Намеренное создание повышенного трения между деталями дифференциала, понижение его КПД – вот главный принцип при конструировании самоблокирующегося дифференциала. Есть масса конструктивных способов как этого добиться, существуют сотни конструкций ДПТ, но принцип действия у всех единый – повышенное трение в механизме, «самоторможение».

Дифференциалом повышенного трения можно назвать такой планетарный механизм, в котором намеренно снижено КПД путем конструктивно введенного повышенного трения, возникающего между его деталями при определенных режимах его работы (либо постоянно).
Под блокированным режимом работы ДПТ понимается такое его состояние, при котором за счет внутреннего трения между его деталями обеспечивается связь между выходными валами, и отсутствует их вращение с неравными угловыми скоростями (полуоси вращаются как единая ось) несмотря на различие величин тяговых сил, возникающих в контакте колес с дорогой. Когда начинается вращение выходных валов ДПТ с различными угловыми скоростями, говорят: «ДПТ разблокировался».

Важнейшим оценочным критерием свойств ДПТ является коэффициент блокировки Кб, представляющий наибольшее по величине отношение крутящего момента Мк на выходном валу, вращающемуся медленнее (отстающем), к величине Мк на валу, вращающемуся быстрее (забегающем), при срабатывании дифференциала, т.е. когда он разблокировался.
Кб = Мот / Мзаб
Но при оценке несимметричных ДПТ такое определение Кб не подходит из за того, что в них конструктивно заложено неравенство распределения Мк между выходными валами. Для них было введено иное понятие Кб: отношение максимального момента трения Мтр, возникающего между деталями дифференциала, к величине Мк, приложенного к его корпусу:
Кб = Мтр /Мд
В некоторых описаниях ДПТ применяют оценку Кб в процентном отношении, например 30%, 40%. Это сложно для восприятия, но по сути является отражением Кб как Мтр/Мд. Допустим, если 30% то Кб=0,3; 40% - 0,4 и т.д. Но наиболее удобен для восприятия Кб как отношение большего момента к меньшему, поэтому при рассмотрении свойств симметричных ДПТ пользуются им.

ДПТ классифицируются в зависимости от изменения Кб при различных режимах работы:
с постоянным коэффициентом блокировки – Кб во всех режимах постоянен (един) и прямо пропорционален по отношению к величине крутящего момента, приложенного к корпусу дифференциала;
с переменным коэффициентом блокировки - Кб в различных режимах не постоянен (различный) и не пропорционален по отношению к величине крутящего момента, приложенного к корпусу дифференциала, но находится от него в определенной зависимости.

Как происходит процесс блокирования в дифференциалах повышенного трения с постоянным Кб.

Блокирующий момент в дифференциале возникает сразу, как только к его корпусу прилагается крутящий момент, например: возникает сила тяги при строгании с места – дифференциал заблокирован, снял ногу с педали газа (торможение мотором) – разблокирован (он может снова заблокироваться тормозным моментом, но данный аспект здесь не рассматриваю). При этом величина блокирующего момента (момента трения) в дифференциале прямо пропорциональна моменту, приложенному к корпусу дифференциала – чем больше момент на корпусе, тем больше по величине блокирующий момент, связывающий полуоси между собой, тем больше нужно силы, чтобы провернуть полуоси относительно друг друга. Когда машина движется прямо по асфальту, момент распределяется дифференциалом примерно поровну. Но при этом дифференциал под тягой УЖЕ заблокирован, эта симметричность распределения моментов между колесами – простое совпадение, при полностью (жестко) заблокированном дифференциале при прямолинейном движении момент распределялся бы между колесами также в равных пропорциях. Но стоит условиям сцепления на колесах измениться, например одно из колес попало на лед, а другое находится на асфальте – в дифференциале повышенного трения тут же начнется перераспределение моментов: при уменьшении величины момента, распределяемого на колесо, находящееся (например) на льду, будет происходить увеличение момента, распределяемого к колесу, находящемуся на асфальте. При этом величина Мк на корпусе дифференциала не изменится. То есть дифференциал как бы «придержит» колесо на льду, не даст ему раскрутиться. Таким образом, дифференциал повышенного трения под тягой всегда заранее заблокирован, то есть еще ДО изменения силы сцепления колес с дорогой дифференциал готов начать перераспределять момент.
Коэффициент блокировки, возникающий ДО появления разности скоростей вращения полуосей называется начальный коэффициент блокировки или коэффициент блокировки покоя. Он будет в дифференциале до того момента, пока разность внешних сил (реакций дороги), обусловленная (например) разностью сил сцепления колес с дорогой, не станет больше по величине, чем сила трения покоя, возникающая между деталями дифференциала. После того, как внешние силы, стремящиеся преодолеть силу трения покоя в дифференциале (блокирующий момент) вызовут разность скоростей вращения полуосей, трение покоя перейдет в трение скольжения, и коэффициент блокировки дифференциала начнет расти, пока не достигнет своего максимального значения, которое называется максимальный коэффициент блокировки дифференциала. Не во всех дифференциалах максимальный Кб больше начального Кб, все зависит от конструкции конкретного механизма. В технической документации обычно в качестве коэффициента блокировки указывают максимальный коэффициент блокировки дифференциала.
Таким образом, можно сделать вывод, что процесс блокирования в любом дифференциале повышенного трения начинается сразу, как только на его корпус подается крутящий момент. Соответственно, момент трения в дифференциале пропорционален моменту на корпусе дифференциала и его величина зависит от значения коэффициента блокировки. Описанный процесс происходит во всех без исключения ДПТ, применяемых на современных легковых автомобилях: с дисковыми муфтами трения, с цилиндрическими косозубыми шестернями, кулачковых или червячных.
Известный советский конструктор А.Х. Лефаров в своей книге «Дифференциалы автомобилей и тягачей» (стр. 55-56) писал:
«Блокирующие свойства дифференциала начинают проявляться немедленно, как только появляется разность сил тяги колес ведущего моста. Причем в первый период относительное вращение полуосей отсутствует. Оно появляется при достижении разности сил тяги некоторой величины, определяемой значением коэффициента блокировки».

Хочу привести еще один наглядный пример, описывающий процесс блокирования ДПТ с очень высоким Кб (около 10), установленным в заднем мосту грузового автомобиля высокой проходимости, имеющего шины низкого давления, вот такого:



Как только машина стронется с места, в дифференциале сразу возникнет блокирующий момент, который свяжет полуосевые шестерни. Когда машина начнет поворачивать, тут же возникнет необходимость вращения колес моста с различными угловыми скоростями. Но ДПТ заблокирован и внутренние силы в его механизме будут этому препятствовать. Вследствие этого начнется закручивание полуосей и тангенциальная деформация резины – радиус внутреннего колеса будет уменьшаться, а наружного увеличиваться. Соответственно начнется перераспределение крутящих моентов между колесам: величина Мк на наружном колесе станет уменьшаться, на внутреннем увеличиваться. При дальнейшем увеличении угла поворота управляемых колес отношение моментов превысит начальный коэффициент блокировки, дифференциал разблокируется, но увеличение Мк на внутреннем колесе продолжится, пока дифференциал «не выйдет в режим» максимального Кб. После этого при последующем увеличении угла управляемых колес пропорция распределения Мк между колесами не изменится.
А если машина, имеющая ДПТ с очень высоким Кб, будет передвигаться по бездорожью на слабых грунтах или по снегу, данный ДПТ обеспечит колесам моста совместное нераздельное буксование почти во всех условиях движения (за исключением полного отрыва одного из колес от грунта). Если отношение величин сил сцепления колес с лучшим и худшим сцеплением будет по значению меньше, чем начальный Кб дифференциала – он будет блокирован и обеспечит нераздельное буксование колес, если больше – он разблокируется и колеса будут вращаться (буксовать) с разным числом оборотов:
Рmax / Pmin < Кб – нераздельное буксование;
Рmax / Pmin > Кб – раздельное буксование.
Дифференциал с высоким Кб на бездорожье обеспечивает колесам моста максимально возможную тяговую силу, аналогично блокированному приводу. Но на современных легковых машинах (внедорожниках) ДПТ с таким высоким Кб не применяют из-за того, что данные механизмы, связывая колеса между собой, на сухой дороге вызывают возникновения момента сопротивления повороту, ухудшая поворотливость машины, а на скользкой дороге могут вызвать занос оси. Поэтому в современные машины обычно ставят ДПТ с Кб = 2…3.

Глава IV Дифференциалы повышенного трения с использованием деталей серийных дифференциалов.

Во многих современных машинах используются ДПТ, в которых в основном сохранены детали обычного дифференциала, но в кинематическую цепь введены фрикционные элементы, создающие дополнительные силы и моменты трения.
Еще 50 лет назад конструкторами было подмечено, что в обычном коническом дифференциале тоже возникают силы трения между его деталями. Когда к корпусу дифференциала прилагается Мк, полуосевые шестерни и сателлиты из-за своей конической формы стремятся «раздвинуться» и прижимаются торцевыми поверхностями к корпусу. В результате этого возникают моменты трения сателлитов о корпус дифференциала и шипы крестовины (ось сателлитов) и между полуосевыми шестернями и корпусом. Поэтому симметричный дифференциал малого трения можно представить как частный случай самоблокирующегося дифференциала с одной парой трения. Обычный дифференциал также имеет Кб примерно 1,05 -1,1.
Конструкторы ранее старались трение в дифференциале снизить, улучшить его КПД, но при создании ДПТ задача стала противоположной – трение повысить, а КПД понизить. Значит, нужно было ввести в обычный дифференциал новые детали, повышающие внутреннее трение.
В некоторых конструкциях намеренно увеличили силу трения сателлитов о корпус. Так поступили конструкторы дифференциала, Турнаматик названного «с увеличенными шайбами сателлитов», или еще его называли «с грибовидными сателлитами» из-за того, что последние имели сильно развитую опорную поверхность грибовидной формы.



По данным фирмы Ле Турно-Вестингауз, суммарное трение от деталей дифференциала давало возможность получить Кб=3. Этот ДПТ с постоянным Кб.

Дальнейшее развитие данной концепции было продолжено конструкторами фирмы Борг-Варнен.



Две конусные чашки полуосевых шестерен, сопрягаясь с коническими поверхностями корпуса, создают момент трения, вызываемый осевыми силами полуосевых шестерен от зацепления с сателлитами (силы их раздвигают) и осевыми силами от спиральных пружин, расположенных между полуосевыми шестернями. Пружины создают постоянный момент трения между корпусом и полуосями. Таким образом момент трения в данном ДПТ складывается из моментов трения, возникающих в результате осевых сил, прижимающих сателлиты и полуосевые шестерни к корпусу, значение которых прямо пропорционально величине Мк, приложенного к корпусу, и дополнительного момента трения постоянного по величине, который обеспечивают муфты, разжимаемые пружинами. Этот ДПТ с переменным Кб.

С годами эволюция вышеуказанных конструкций продолжилась и в результате нашла свое завершение в виде ДПТ, называемых «смешанного типа», с так называемым «преднатягом». Именно эти ДПТ с небольшими конструктивными изменениями устанавливаются в наши дни в задние мосты Ниссан Patrol (некоторые модели), NP 300; Мазда В 2500 и ВТ 50; некоторые модели Тойота 4-Ranner, Hilux; Форд Ренжер и пр.

Муфты трения 5,6 сжаты тарельчатыми пружинами 7. До тех пор, пока осевые усилия в зацеплении шестерен, значение которых зависит от Мк, приложенного к корпусу дифференциала, меньше сил сжатия пружин, фрикционные муфты передают момент трения, создаваемый только силами пружин 7. При этом механизм обладает свойствами ДПТ с переменным Кб.
При росте Мк, приложенного к корпусу, осевые силы в зацеплении превышают значения усилий пружин и сжимают фрикционные муфты. В этом случае ДПТ работает как дифференциал с постоянным расчетным Кб. Таким образом данный тип ДПТ обладает свойствами механизмов с переменным и постоянным Кб, отсюда и его название – смешанного типа.

А фирма Форд применяла конструкцию ДПТ, в которой был организован преднатяг с помощью пружины, раздвигающей полуосевые шестерни, а между ними и корпусом имелся пакет фрикционных дисков.



Кб у данного ДПТ переменный, это ДПТ смешанного типа.

Преднатяг, т.е. постоянный момент трения, обычно составляет 30-50 Нм и способствует приложению большего по величине Мк к полуоси колеса, не потерявшего контакт с грунтом при частичном или полном вывешивании другого колеса. Например, если левое колесо будет полностью вывешено, обычный дифференциал сможет распределить к нему небольшой по величине Мк, допустим 20 Нм. Следовательно, к правому колесу будет перераспределен почти такой же Мк 20 Нм. И пропорция будет близка к 50/50. Но если в дифференциале имеется муфта с постоянным моментом трения, то на вывешенном колесе будет Мк=20 Нм, а на другом 20 Нм + момент трения муфты 50 Нм в итоге 70 Нм.
А если взять да и сделать величину преднатяга больше, допустим 100 Нм или 200 Нм? Ведь это существенно улучшит проходимость машины?
Можно, но тут же появятся побочные нежелательные факторы. В повороте на сухом асфальте нужно, чтобы колеса вращались с различной угловой скоростью, а преднатяг будет этому препятствовать. Ухудшится поворотливость и устойчивость. Фрикционные диски будут перегреваться, ускорится их износ. К тому же на всех современных машинах установлена АБС, а для ее работы необходимо устранить механические связи между колесами. Вследствие этого величина преднатяга не может быть большой. В итоге данные ДПТ имеют небольшой Кб примерно равный 2…2,5

Впрочем, некоторые фирмы преднатяг не использовали, например в ДПТ, применяемых фирмой Субару в середине 90-х годов между полуосевыми шестернями и корпусом дифференциала были вставлены пакеты фрикционных дисков.




Диски с наружным зацеплением были связаны с корпусом, с внутренним – с выходными валами. Когда к корпусу прилагался Мк, полуосевые шестерни смещались к корпусу и сжимали пакеты дисков. В этом механизме Кб постоянен.
Подытожив, можно сказать, что существует множество конструкивных исполнений ДПТ рассматриваемого типа, но принципы их работы едины.

Глава V Кулачковые дифференциалы.

Это один из самых первых самоблокирующихся дифференциалов и он заслуживает подробного рассмотрения. Первый механизм данного типа был сконструированный в 1929 г. инженерами фирмы Мак Пауэр Дивайдер специально с целью улучшения проходимости грузовых автомобилей типа 4х4 грузоподъемностью от 5 до 10 т и первоначально применялся в качестве межосевого дифференциала. Начиная с 1948 г. эти механизмы стали применять как межколесные.
Рассмотрим устройство и принципы работы данного ДПТ на примере межколесного дифференциала ГАЗ-66



Дифференциал состоит из внутренней (2) и наружной (3) звездочек и 24-х плунжеров (6), расположенных в радиальных отверстиях сепаратора (5) двумя рядами со сдвигом их по окружности на полшага. Сепаратор выполнен как одно целое с левой чашкой корпуса дифференциала (1 слева). Плунжеры находятся в зацеплении с наружными кулачками внутренней звездочки и внутренними кулачками наружной звездочки (4- кулачки внутренней (внизу) и наружной (вверху) звездочек). Звездочки соединены с выходными валами. На наружной звездочке (3) равномерно расположены по окружности шесть кулачков (4- в верху), которые входят в зацепление с плунжерами обоих рядов. На внутренней звездочке (2) предусмотрено два самостоятельных ряда кулачков (4 – внизу); каждый ряд имеет шесть равномерно расположенных по окружности кулачков. Кулачки одного ряда смещены по окружности относительно кулачков другого ряда на полшага. Плунжеры выполняют функцию сателлитов. Если угловые скорости полуосей одинаковы, то плунжеры остаются неподвижными относительно сепаратора и звездочек; а при прохождении машиной поворота одна звездочка обгоняет ведущий сепаратор, а другая отстает от него. При этом сепаратор, опережая отстающую звездочку, заставляет плунжеры перемещаться в радиальном направлении по мере того, как они передвигаются по поверхности кулачков. Противоположные концы плунжеров действуют подобным образом на наклонные поверхности другой звездочки, заставляя ее вращаться с угловой скоростью большей, чем угловая скорость сепаратора. Наличие относительного движения между деталями дифференциала вызовет появление сил трения на торцевых поверхностях плунжеров, соприкасающихся с поверхностями кулачковых обойм. В результате произойдет перераспределение сил в сторону их увеличения на отстающей ведомой обойме и уменьшения на забегающей, т.е. кулачки и плунжеры образуют точку опоры для колеса с наибольшим сцеплением. В результате больший Мк будет приложен к полуоси колеса, имеющего лучшее сцепление (отстающего).
Сепаратор и кулачковые обоймы изготавливались из из хромоникельвольфрамовой стали 18ХНВА, а плунжеры – из шарикоподшипниковой хромистой стали ШХ15. Рабочие поверхности этих деталей цементировались для предотвращения задиров.
Этот ДПТ имеет постоянный Кб, но есть любопытная особенность. При пробуксовке одного из колес моста (при отстающем втором) Кб по значению меньше, чем при пробуксовке другого. Так, при пробуксовке правого колеса ГАЗ-66 Кб = 3,1; а при пробуксовке левого колеса (связанного с внутренней звездочкой) Кб = 2,1 Советские конструкторы специально поставили дифференциал таким образом, чтобы при пробуксовке правого колеса, чаще оказывающегося на скользкой обочине, к левому колесу, находящемуся на сухой дороге, перераспределялся крутящий момент в три раза выше, чем к правому.
Таким образом данный ДПТ имеет два постоянных Кб, или говоря по научному: несимметричные блокирующие свойства. Эта особенность присуща всем кулачковым дифференциалам, поскольку они имеют схожие конструкции.
При испытании различных моделей кулачковых дифференциалов отечественного и иностранного производства, проводимых в СССР, установлено, что их Кб составляет 2…3.
Кулачковые ДПТ часто путают с так называемыми «дифференциалами свободного хода», представляющими собой механизмы свободного хода (МСХ), состоящими из одной ведущей и двух ведомых полумуфт. Это совершенно различные механизмы как по устройству, так и по принципам работы. Главное их различие состоит в том, что кулачковый дифференциал при повороте машины на дороге с хорошим сцеплением обеспечивает колесам моста вращение с различными угловыми скоростями, но при этом к каждому из них перераспределяет крутящий момент. В этом режиме каждое из его трех кинематических звеньев (корпус и два выходных вала) вращаются с различными угловыми скоростями. В этом же режиме движения МСХ также обеспечивает колесам вращение с различными угловыми скоростями, но при этом Мк распределяется только к внутреннему (по отношению к центру поворота) колесу, а наружное катится в ведомом режиме. В этот период два его кинематических звена (ведущая муфта и ведомая полумуфта, связанная с полуосью внутреннего колеса) соединены между собой, а вторая ведомая полумуфта отсоединена от механизма, чем и обеспечивается более быстрое вращение наружного колеса. Таким образом во время движения в повороте кулачковый ДПТ ведет оба колеса моста, а МСХ только одно из них.
Кулачковые дифференциалы устанавливаются в Сузуки Гранд-Витара new в качестве межосевых, в СССР устанавливали на ГАЗ-66 и БТР. В России некоторые умельцы устанавливают их в задние мосты УАЗов.

Глава VI Червячные дифференциалы.

Первый в истории червячный дифференциал был сконструирован в 1913 году американским инженером В.Ф. Мулем (W.F. Muehl), патент на изобретение №1090082 был получен изобретателем 10 марта 1914 года.
Встречаются сведения, что в мостах полноприводного американского грузовика Quad с 1914 года устанавливался червячный дифференциал, по-видимому, конструкции Муля.


Автомобиль Quad 1914 года

Массовое серийное производство червячных дифференциалов началось в 1932 г. и пионерами червячного дела можно заслуженно назвать американских инженеров Муля и Скарлока. Именно они в 30-е годы сконструировали несколько моделей дифференциалов данного типа, которые нашли широкое применение на трехосных автомобилях высокой грузоподъемности, специальных тягачах, работающих в тяжелых условиях карьерных разработок, а также на снегоочистителях.
С того времени данные механизмы широко использовались в грузовых автомобилях всего мира. Немецкие инженеры в начале 40-х тоже разработали несколько собственных моделей червячных дифференциалов, которые устанавливались в грузовые и легковые автомобили, выпускаемые для нужд армии.
После поражения Германии эти механизмы вместе со всеми чертежами в виде трофеев достались СССР и советские инженеры по их образцу и подобию изготовили дифференциалы в размерности мостов ГАЗ-51, а затем НАМИ 020 и Урал 375-Д


ГАЗ-51 во время испытаний самоблокирующихся дифференциалов в 1955 г.


НАМИ 020 на испытаниях в 1957 г.

В начале 80-х годов прошлого века под влиянием инженеров фирмы Ауди, червячные дифференциалы активно вторглись в мир легковых автомобилей. Автором используемой конструкции был американец Верн Глизман (Vern Gleasman), запатентовавший свой механизм аж в 1958 г. Долгие годы тот мирно пылился на полке, никому не нужный и всеми позабытый. Но как оказалось, Верн родился под счастливой звездой и почти через двадцать лет его изобретение заинтересовало американскую фирму Gleason, которая выкупила у него все права на патент. Ее инженеры быстро разработали технологию, станки и наладили промышленный выпуск дифференциала на вновь построенном заводе в Бельгии. Так родился легендарный Торсен, обессмертивший имя своего создателя. В 70-е годы он успешно проявил себя в гоночных автомобилях «Формула-1», а в начале 80-х новоявленный Торсен прижился в ведущих мостах не менее легендарного американского вездехода HMMWV.
С 1986 г. инженеры Ауди стали применять его в качестве межосевого (а позже и межколесного) в моделях Quatro, после чего червячный Торсен Т-1 (тип А) начал победное шествие по миру.
Так что же представляет собой червячный дифференциал?
Червячным дифференциалом называется такой планетарный механизм, в котором для кинематической связи деталей используются червячные передачи. В некоторых механизмах данного типа имеются как червячные, так и винтовые передачи, поэтому их еще называют «червячно-винтовые».
Червячные передачи относятся к числу зубчато-винтовых, но отличаются от последних тем, что у винтовых начальный контакт происходит в точке, а у червячных имеет место линейный контакт. В результате этого червячные передачи могут выдерживать высокие нагрузки, а винтовые нет. Но в обоих типах этих передач оси вращаемых деталей перекрещиваются. В червячно-винтовых дифференциалах оси деталей, связанных червячными передачами, перекрещиваются под углом 90 градусов, а связанных винтовыми – меньше 90.
Червячная передача состоит из червяка, т.е. винта с трапецеидальной или близкой к ней резьбой, и червячного колеса, т.е. зубчатого колеса с зубьями особой формы, получаемой в результате взаимного огибания с витками червяка.
На этих рисунках хорошо видно, что представляют собой червячные передачи



На рис. 2 изображена червячная главная передача, состоящая из червяка 1 (ведущая шестерня) и червячного колеса 2 (ведомая шестерня).
На рис. 1 изображены детали червячного дифференциала немецкой фирмы Рейнметал Борзиг (1941 г). Червячные сателлиты 1, расположенные в два ряда, имеют зацепления с полуосевыми шестернями (червячными колесами) 2. Также каждый из сателлитов-червяков зацепляется с парным сателлитом через промежуточный сателлит 3, выполняющий в данной передаче функции малого червячного колеса. Хорошо видно, что оси, вокруг которых вращаются червяки и червячные колеса, перекрещиваются под прямым углом. Таким образом, оба ведущих колеса автомобиля находятся между собой в кинематической связи через четыре последовательно включенных червячных передачи. Поскольку червячным передачам свойственно самоторможение, крутящий момент, приложенный к корпусу дифференциала, вызывает возникновение осевых, радиальных и окружных сил, под действием которых между деталями механизма возникают силы и моменты трения, значительно снижающие его КПД и блокирующие дифференциал. Меняя угол наклона ниток блокирующих червяков можно добиться очень высокого значения коэффициента блокировки дифференциала такой конструкции. По данным фирмы-производителя он мог достигать значения 20-40. Но обычно механизмы с таким высоким коэффициентом блокировки мировые производители не применяли и червячные дифференциалы, устанавливаемые в мосты грузовых автомобилей, имели Кб = 10…14.

Рассмотрим конструктивную схему самого известного червячного дифференциала Торсен 1 (Тип А).



При его создании Глизман пошел своим собственным путем и все перевернул с ног на голову. В отличие от имеющихся ранее конструктивных схем механизмов данного типа, где червяки выполняют функции сателлитов, червячные колеса - полуосевых шестерен, в Торсене все сделано наоборот. Глизман сконструиовал полуосевые шестерни 3 в виде червяков, а сателлиты 1 выполнил в виде червячных колес. Мало того, хитрый Глизман не стал организовывать связь между парными сателлитами с помощью дополнительных шестерней, а приделал каждому сателлиту венцы 2 в виде цилиндрических шестерней с прямым зубом, через которые и организовал зацепление парных сателлитов между собой, таким образом значительно упростив конструкцию. В результате сателлит представляет собой некий симбиоз червячного колеса и двух цилиндрических шестерен, объединенных в единую деталь. Блокирующие свойства Торсена определяются различиями в прямом и обратном КПД червячной передачи и его зависимостью от величины передаваемого крутящего момента. При криволинейном движении автомобиля накатом или под малой тягой сопротивление в червячных и зубчатых зацеплениях незначительно выше, чем в обычном дифференциале, и у колес есть возможность вращаться с различными числами оборотов. При движении машины по прямой в тяговом режиме при равенстве коэффициентов сцепления у ведущих колес и одинаковой нагрузке на них дифференциал распределяет моменты между колесами в соотношении 50:50, но при снижении силы сцепления одного из колес и возникновении тенденции к его пробуксовке, силы трения, возникающие между деталями механизма сразу после приложения к его корпусу крутящего момента, препятствуют раздельному вращению выходных валов и не дают колесу раскрутиться (забуксовать). Такой же эффект возникает и в случае кратковременного отрыва колеса от дороги при переезде неровности, что способствует устойчивости автомобиля, поскольку при обычном дифференциале раскрутившееся колесо при восстановлении контакта с дорогой за счет силы инерции создает дополнительную толкающую силу, способствующую заносу.
Теоретически, максимальный Кб Торсена 1 мог достигать 9, но фирма- производитель не выпускала межколесные Торсены с Кб >6 , а межосевые с Кб>3,5. А после 1997 г. мировые автопроизводители червячные торсены в машины (за редким исключением) не устанавливают, их сменили Торсены второго и третьего поколения (Т-2 и Т-3), в которых червячно-винтовые передачи не применяются.

Глава VII Цилиндрические дифференциалы повышенного трения.

Механизмы данного типа в последнее время все чаще используются в современных полноприводных автомобилях. Впервые в серийном производстве легковых автомобилей они стали устанавливаться фирмой Ауди с 1986 г. в качестве межосевых, а позже и задних межколесных дифференциалов в фирменной трансмиссии «quatro». Впоследствии некоторые мировые автопроизводители использовали данные механизмы в передней ведущей оси.

Межколесные симметричные ДПТ.

Цилиндрический дифференциал очень старая конструкция, изобретенная более ста лет назад. В нем применены цилиндрические зубчатые колеса (полуосевые шестерни и сателлиты цилиндрической формы) с параллельными осями.
Цилиндрический ДПТ состоит из корпуса 1, в котором выполнены «карманы» 2.



В них вставлены парные сателлиты 3, введенные в зацепление между собой и в зацепление с полуосевыми шестернями 4. Шестерни и сателлиты имеют косую нарезку зуба, из-за чего авторами многочисленных статей данные ДПТ упорно именуются «винтовыми», хотя к винтовым (червячно-винтовым) никакого отношения не имеют. В ДПТ, изображенном на рисунке, от корпуса (водила) 1 окружная сила передается к сателлитам 3, а от них к двум полуосевым шестерням 4. Из-за косой нарезки зуба при передаче крутящего момента шестерни и сателлиты под действием осевых сил раздвигаются и прижимаются торцами к корпусу, в результате чего возникают силы трения. Также возникают силы трения между сателлитами и карманами корпуса и между сателлитами и полуосевыми шестернями. В результате этого при движении машины в тяговом режиме создается определенный блокирующий момент, понижающий КПД механизма. Из-за конструкции ДПТ данного типа не представляется возможным добиться высокого Кб, например, максимальное значение для задних межколесных торсенов = 3 (пропорция в пределах 25:75; 75:25); межосевых и предних межколесных = 2,5. Поскольку шестерни механизма имеют равное число зубьев он относится к кинематически симметричным дифференциалам и имеет постоянный Кб. Все цилиндрические ДПТ имеют схожую конструктивную схему, отличие только в организации зацепления между сателлитами-полуосевыми шестернями. К данному типу относится Торсен 2 (тип В) и дифференциалы от других производителей.
Некоторые цилиндрические ДПТ имеют переменный коэффициент блокировки из-за того, что между полуосевыми шестернями установлены дополнительные муфты с постоянным моментом трения (так называемый «преднатяг»).
Ниже на схеме изображен Торсен Т-2 R, у которого между полуосевыми шестернями установлены разжимные пружины, а между полуосевыми шестернями и корпусом фрикционные диски (multi plate clutches). Пружины создают постоянные осевые силы, прижимающие шестерни к фрикционным дискам, а диски к корпусу.



По схожей схеме выполнен известный ДПТ «Квайф». Это механизмы смешанного типа: основной блокирующий момент в них возникает от действия сил трения, возникающих при приложении крутящего момента к корпусу (как у вышерассмотренного Т-2), и дополнительный небольшой по величине Мк «добавляют» муфты трения.

Межосевые ДПТ.

Следующую большую группу цилиндрических ДПТ составляют межосевые дифференциалы. Данные механизмы применялись в американских грузовых автомобилях еще в первом десятилетии прошлого века. Уже тогда конструкторы заметили главный недостаток бездифференциального межосевого привода – возникновение в трансмиссии паразитной мощности и ухудшение поворотливости машины во время движения по твердым дорогам. Межосевой дифференциал решил эти проблемы, одновременно улучшилась устойчивость и управляемость машин. Но как известно, любое техническое решение, улучшающее управляемость, неизбежно ухудшает проходимость (и наоборот), поскольку данные свойства находятся между собой во взаимном противоречии. А можно ли найти некий компромисс, чтобы и проходимость значительно не ухудшилась, и паразитная мощность не возникла, и управляемость не пострадала?
Можно. Достаточно установить межосевой ДПТ с относительно небольшим коэффициентом блокировки (около 3-х).
Многие американские фирмы устанавливали в грузовики кулачковые ДПТ, а в 40-х несколько немцких фирм выпускали типовой автомобиль-разведчик, имеющий постоянный полный привод с межосевым кулачковым самоблокирующимся дифференциалом.


Разведывательный автомобиль БМВ.

А вот советские конструкторы пошли по иному пути. В декабре 1955 г. на Минском автомобильном заводе начался серийный выпуск грузового автомобиля-лесовоза МАЗ-501 4х4 с двумя ведущими осями.



Машина имела не отключаемый полный привод, а крутящий момент между осями распределялся несимметричным дифференциалом малого трения прямо пропорционально весу, приходящемуся на переднюю и заднюю оси в пропорции 1 : 2. В результате был достигнут некий компромисс между проходимостью и управляемостью: при движении по твердой дороге машина нормально поворачивала, а при движении на слабых грунтах или по снегу в случае примерно равного коэффициента сцепления колеса начинали буксовать одновременно, что позволяло полностью использовать их сцепной вес для создания тяговой силы. А при движении в особо сложных дорожных условиях дифференциал можно было принудительно заблокировать. Такое решение в то время уже давно использовалось на многих грузовых автомобилях мировых производителей.
Но при проектировании легковых полноприводных автомобилей такой конструктивный подход был неприемлем. В дорожном автомобиле полный привод служит для улучшения динамичности и обеспечения возможности полной реализации потенциальной мощности мотора. При их эксплуатации главным требованием является обеспечение максимально быстрого ускорения без пробуксовки колес, а также хорошая устойчивость и управляемость.
Легковые полноприводные автомобили с кинематически симметричным дифференциалом имеют существенный недостаток: неоднозначность поведения при прохождении криволинейных участков пути (поворотов) на грани срыва колес в поперечное скольжение. У таких автомобилей в результате нестабильного перераспределения веса между осями недостаточная поворотливость (склонность к заносу колес передней оси) может неожиданно смениться избыточной (занос задней оси) или наоборот. Чтобы этого избежать в последние годы конструкторы применяют несимметричные межосевые дифференциалы, которые большую часть крутящего момента перераспределяют колесам задней оси (обычно около 60%). А поскольку перераспределение веса у машины между передней и задней осями примерно 60/40, задние колеса, как нагруженные меньшим сцепным весом и «получающие» больший по величине крутящий момент, при повороте на скользкой дороге стабильно первыми уходят в поперечное скольжение (занос), в то время как передние колеса еще сохраняют сцепление с дорогой. В результате машина «ввинчивается» в поворот и при этом следует в направлении, заданном передними колесами. А чтобы придать управляемости машины некую «изюминку», инженеры стали делать межосевые дифференциалы с несколько увеличенным коэффициентом блокировки. В случае, когда задняя ось машины при прохождении поворота начинала скольжение наружу поворота, опытный водитель добавлял тягу и дифференциал начинал перераспределять крутящий момент между осями в пропорции, придающей машине нейтральную поворотливость. После этого водитель вел машину в контролируемым заносе, корректируя траекторию дросселем и рулевым управлением. Это придавало полноприводным машинам некую спортивность, что очень нравилось умелым водителям, любящим пройти скользкий поворот в боковом скольжении.
Данное обстоятельство и вызвало появление на свет несимметричных межосевых самоблокирующихся дифференциалов, имеющих немного повышенный коэффициент блокировки и предназначенных для улучшения управляемости автомобилей. Самый распространенный среди них Торсен Т-3.



У него в корпусе (водиле) 2 выполнены «гнезда» 3, в каждое из которых вставлен сателлит 4. Крпус вращает водило, в результате от сателлитов 4 окружная сила передается к эпициклической (коронной) шестерне 5, имеющей внутреннее зацепление и одновременно передается к солнечной шестерне 6, имеющей наружное зацепление. А поскольку солнечная шестерня имеет меньший радиус и меньшее число зубьев, чем эпициклическая, приложенная к ней от водила через сателлиты окружная сила создает меньший по величине крутящий момент, чем приложенная к эпициклической. Из схемы видно, что все детали данного механизма цилиндрические и имеют параллельные оси. За счет косой нарезки зубьев при приложении к корпусу Мк возникают осевые силы, стремящиеся раздвинуть шестерни и сателлиты и прижать их торцами к корпусу. Для увеличения возникающего момента трения предусмотрены фрикционные кольца 7. Выходной вал дифференциала, соединенный с солнечной шестерней 6, передает Мк к колесам передней оси, а соединенный с коронной шестерней 5 – к задней. В результате дифференциал имеет постоянный коэффициент блокировки и так называемую «базовую пропорцию», т.е. при движении машины по прямой в тяговом режиме при равенстве коэффициентов сцепления у ведущих колес и одинаковой нагрузке на них дифференциал распределяет моменты между колесами в определенном соотношении, например базовая (кинематическая) пропорция ТЛК 120 (Прадо) 40 : 60, но при пробуксовке колес передней оси она изменяется до 29 : 71, а при пробуксовке колес задней оси до 47 : 53. Такое перераспределение крутящего момента способствует стабильно избыточной поворотливости машины на скользкой дороге при входе в поворот, а если водитель прибавит тягу, пропорция крутящего момента будет стремиться к 47 : 53, что придаст машине практически нейтральную поворотливость и предсказуемое поведение при скольжении всех колес.
Несимметричные межосевые ДПТ в наши дни устанавливаются фирмой Тойота в модели 4-Раннер, FJ Cruiser, Прадо, ТЛК 200; фирмой Ауди в модели А5 кватро, Q7; и некоторые другие машины. Сейчас в автомобильной промышленности наметилась устойчивая тенденция перехода от симметричных межосевых дифференциалов к несимметричным.

Глава VIII Шарико-винтовые дифференциалы.

Эти механизмы были изобретены еще в прошлом веке, но в серийном производстве автомобилей применения так и не нашли. По всей видимости этому помешали высокие требования к точности изготовления и к качеству используемых сталей. Кроме того, эти дифференциалы имеют невероятно высокий коэффициент блокировки, близкий к бесконечности, т.е. как у принудительно заблокированного дифференциала или у механизма свободного хода.
Наиболее известна конструкция, которую в 70-х годах запатентовал немец Люси, затем российский инженер Красиков ее слегка изменил, что дало ему право запатентовать этот механизм и назвать его «Дифференциал автоматический Красикова» или сокращенно «ДАК». После этого было налажено производство данного изделия в размерности задних мостов автомобилей ВАЗ, ГАЗ, и ведущих мостов УАЗ. Производителем ведется агрессивная рекламная компания с использованием возможностей Интернета и прессы. Наверное нет ни одного форума любителей полноприводных автомобилей, где бы не обсуждалось данное изделие.



В конструкции данного дифференциала использована передача «винт-шариковая гайка», что дает повод условно назвать его «шарико-винтовым. Сами изобретатели его так не называют, и вообще, описание принципов его работы и свойств, имеющееся на официальном сайте производителя, довольно противоречиво, запутанно и постоянно видоизменяется. Там нет четкой классификации предлагаемого механизма и не указан его коэффициент блокировки, т.е. отсутствуют важнейшие технические характеристики изделия, позволяющие потенциальному покупателю определить, нужен ли ему дифференциал с такими свойствами. Лично у меня сложилось впечатление, что производитель ходовые (и тем более стендовые) испытания дифференциала не проводил, возложив эту почетную обязанность на плечи покупателя и какими свойствами обладает их механизм сами толком не разобрались. На форуме «Уазбука» несколько добровольных испытателей публикуют свои впечатления от использования данного механизма, полученные «на слух» (трещит - не трещит) и «на глаз» (копает - не копает). А производитель внимательно наблюдает за результатами, полученными добровольными помощниками, периодически меняет им поломанные дифференциалы и корректирует описание принципов действия, изложенное на сайте. Оригинальный подход, ну да пусть будет на его совести. По опыту эксплуатации ДАК можно отметить четыре особенности данного самоблока:
1. Коэффициент блокировки ДАК очень высок по значению и близок к бесконечности (при полностью вывешенном колесе моста ДАК обеспечивает жесткую связь полуосей и возможность другому колесу использовать его силу сцепления для обеспечения движения машины, при этом оба колеса вращаются с равным числом оборотов).
2. Степень блокировки ДАК зависит как от разницы величин крутящих моментов на колесах моста (разницы сил тяги колес), так и от разницы скоростей их вращения. Многие пользователи отмечали случаи полного блокирования механизма во время прохождения поворотов на асфальте. Данный факт свидетельствует об неизбежном ухудшении устойчивости и управляемости машины после установки ДАК, а также излишней нагрузки на трансмиссию машины в результате возникновения паразитной мощности во время блокировки механизма при хорошем сцеплением колес с доргой.
3. Качество ДАК недостаточно хорошее, во многих дифференциалах присутствует излишний шум, отмечены случаи поломки механизмов.
4. Степень блокирования ДАК у разных пользователей разная, у одних при прохождении поворота механизм полностью блокируется, у других его действие незаметно. Это говорит об отсутствии стабильности свойств изделий, т.е. каждый ДАК имеет свои особенности.
Таким образом можно сделать предварительный вывод: ДАК является дифференциалом повышенного трения с переменным коэффициентом блокировки; его Кб очень высок, что создает дополнительные сложности широкого применения машины, оборудованной ДАК, на асфальте, но эта же особенность обеспечивает нераздельное буксование колес моста в условиях бездорожья, что значительно улучшает проходимость; качество изделия недостаточно стабильное.
Но людям, использующим свои машины на бездорожье ДАК очень нравится, поскольку на бездорожье он полностью блокируется (аналогично принудительной блокировке), обеспечивая нераздельное буксование ведущих колес моста. Единственное, что их не устраивает – проблема с качеством изделия.
Найдет ли ДАК широкое применение в автомобилях покажет время.

Глава IХ Дифференциалы малого трения, автоматически блокируемые с помощью многодисковых муфт.

Дифференциал с муфтой постоянного момента трения.

С момента появления первых дифференциалов конструкторы пытались устранить их свойство ухудшать проходимость, т.е. снижать величину Мк, распределяемого к колесу с лучшим сцеплением, когда колесо с худшим сцеплением начинало буксовать. Для этого делали устройства, частично блокирующие дифференциал.
Ранние конструкции представляли собой обычный дифференциал малого трения, постоянно частично заблокированный с помощью многодисковых фрикционных муфт.
Конструкцию и свойства механизмов данного типа можно понять, рассмотрев дифференциал фирмы Тимкен.



Фрикционная муфта 3 связывает постоянным моментом трения одну из полуосей с корпусом 1 дифференциала. Муфта состоит из чередующихся стальных и бронзовых дисков. Стальные диски закреплены на полуоси, а бронзовые на втулке, соединенной с корпусом. Набор дисков нагружен осевым усилием, которое создается 12-ю спиральными пружинами 2.
При движении по прямой, когда оба колеса вращаются с одинаковой угловой скоростью и относительное перемещение шестерен и дисков муфты отсутствует, весь дифференциал и муфта вращаются как одно целое. Но, если одно из колес попадает на участок дороги с малым коэффициентом сцепления и появляется вероятность его буксования, то оно полностью или частично нейтрализуется силами трения в муфты. При этом увеличенный силами трения муфты дополнительный крутящий момент будет передан колесу, находящемуся в лучших сцепных условиях.
Это дифференциал с переменным Кб, а крутящие моменты, распределяемые между полуосями связаны равенством (без учета трения в дифференциале)
Мот = Мзаб + Мф,
где Мф – момент трения фрикционной муфты.
Положительной особенностью дифференциалов данного типа заключается в постоянном действии момента трения, который создает на отстающей полуоси (на колесе с лучшим сцеплением) некоторый крутящий момент, даже в том случае, если на второй полуоси он равен нулю (например, при полном отрыве колеса от дороги). Но на этом все положительные свойства данных механизмов заканчиваются.
Во-первых, невозможно получить большой Кб, существовавшие конструкции имели максимальный Кб не более 1,5. Дальнейшее увеличение Кб вызывает существенное увеличение размеров фрикционной муфты, которое зачастую невозможно без увеличения размеров картера ведущего моста. Во-вторых, такие дифференциалы недостаточно гибки в работе. Постоянно заданная величина момента трения не может соответствовать разнообразным условиям движения. В легких условиях такой дифференциал будет воспроизводить как бы жесткую блокировку полуосей, а в более тяжелых условиях не обеспечит требуемого перераспределения крутящего момента. Кроме того, постоянно заданный высокий Кб будет вызывать существенный момент сопротивления повороту, к тому же на криволинейных участках пути в дисках возникает трение скольжения и повышенный износ. По этим причинам дифференциалы с фрикционными муфтами постоянного трения широкого распространения не получили.

Дифференциал, автоматически блокируемый вискомуфтой.

В 50-х годах прошлого века английский инженер Тони Ролт изготовил несколько конструкций межосевых дифференциалов, автоматически частично блокируемых многодисковыми фрикционными муфтами. Блокирующие муфты приводились в действие механическим приводом, который срабатывал автоматически при возникновении определенного кинематического несоответствия скоростей колес передней и задней осей. Проще говоря, когда колеса одной из осей начинали вращаться быстрее, чем другой (при пробуксовке), дифференциал частично блокировался, препятствуя их пробуксовке, при этом величина Мк, распределяемая к колесам другой оси возрастала.
Но данные системы были очень сложны по конструкции и массового распространения в серийных моделях не получили.
Идея частичного блокирования межосевого дифференциала с помощью многодисковых муфт не оставляла этого талантливого инженера. Вместе со своим коллегой Дереком Гарднером он начал эксперименты с вязкостными жидкостями, уже использующихся в то время на многих автомобилях в муфтах включения вентилятора системы охлаждения двигателя. Инженерам пришла в голову идея использовать эти жидкости в герметичной многодисковой муфте для передачи крутящего момента от одной группы дисков (пакета) к другим. В 60-е годы ими была создана первая вискомуфта, получившая применение в трансмиссии автомобиля для блокировки межосевого дифференциала. Первоначально патент на вискомуфту был оформлен на английскую фирму Formula Ferguson Research (FFR), в штате которой состояли изобретатели. В 1969 г. фирма FFR была ликвидирована, а патент на вискомуфту приобрел концерн GKN (Великобритания). Впоследствии многие фирмы по всему миру выпускали вязкостные муфты по лицензии GKN. Впервые в серийном производстве вязкостная муфта (ВМ) была применена в 1979 г. на автомобиле Eagle производства AM.
ВМ, применяемые для блокировки межосевых дифференциалов, обычно состоят из следующих деталей.



ВМ имеет герметичный корпус 1, внутрь которого вставлен вал 2. В корпус поочередно вставляются диски с наружным зацеплением 3 и внутренним зацеплением 4. Таким образом одна часть дисков связана с корпусом ВМ, а другая с валом. Диски изготовлены из мягкой листовой стали толщиной 0,25-1,0 мм, их поверхность отшлифована и имеет износостойкое противозадирное покрытие. В дисках выполнены пазы и отверстия, облегчающие протекание жидкости между ними. Диски подвижны в осевом направлении. В ВМ, предназначенных для частичной блокировки межосевых дифференциалов, применяют специальные меры, чтобы избежать механического контакта дисков – между ними устанавливают дистанционные кольца 5, обеспечивающие зазор. Когда пакет дисков собран, корпус закрывают крышкой 6 и через боковые отверстия заливают внутрь кремнийорганическую жидкость (силоксан), заполняя внутренний объем на 75-90%. Муфта полностью герметична и имеет резиновые уплотнения. Обычно корпус муфты связывают с корпусом межосевого дифференциала, а вал – с одним из его выходных валов.
Когда машина движется прямо и средние угловые скорости колес осей примерно одинаковы, корпус дифференциала и его выходные валы вращаются с одинаковой скоростью, при этом крутящий момент распределяется между выходными валами (полуосями) примерно поровну (у симметричных) или в заданной пропорции (у несимметричных). В этом режиме относительного движения дисков в ВМ нет. Но если водитель повернет руль (на входе в поворот), или возникнет пробуксовка одного из колес осей, это вызовет возникновение разности в угловых скоростях корпуса дифференциала и его выходного вала, с которым связан выходной вал муфты. Диски в ВМ начнут относительное движение, одни из них станут ведущими, другие ведомыми, и посредством вязкостного трения слоев силоксана от одних дисков к другим начнет передаваться крутящий момент. Иными словами, выходной вал дифференциала, стремящийся вращаться быстрее (забегающий), через муфту передаст дополнительный крутящий момент валу дифференциала, который вращается медленнее (отстающий). С увеличением разницы в скоростях вращения выходных валов дифференциала температура внутри ВМ начнет повышаться. При этом вопреки расхожему мнению от повышения температуры вязкость силоксана не будет расти, а начнет снижаться (но не так существенно, как, например, у моторных масел). Рост температуры вызывает повышение системного давления внутри муфты и возникновение осевых сил, которые стремятся сдвинуть диски. Это влечет увеличение крутящего момента, передаваемого муфтой к отстающему валу, и как итог еще больший рост величины крутящего момента, распределяемого на ту ось, у которой колеса вращаются медленнее. Но полностью сомкнуться дискам помешают дистанционные кольца, к тому же в ВМ, применяемых для частичной блокировки межосевых дифференциалов, намеренно уменьшают вязкость силоксана и (или) объем заполнения. Таким образом, разница в скоростях вращения колес осей вызовет выход ВМ в «рабочий режим», при котором она будет передавать к отстающему валу дифференциала крутящий момент определенной величины, и величина эта, достигнув своего максимума, больше расти не будет, т.е. полное блокирование дифференциала не произойдет.
А зачем нужно такое небольшое блокирование межосевого дифференциала?
Для улучшения устойчивости и управляемости. Если межосевой дифференциал симметричный, то при входе в поворот крутящий момент, распределяемый до этого примерно 50:50 изменится, на передних колесах его величина начнет уменьшаться, а на задних увеличиваться. И чем больше угол поворота управляемых колес, тем больший Мк будет подведен к задним колесам (чем к передним). Это вызовет небольшую излишнюю поворотливость машины в условиях низкого сцепления колес с дорогой, т.е. в если в повороте есть вероятность бокового скольжения колес, то занос задней оси начнется раньше, в то время как передние колеса, нагруженные большим сцепным весом и не «нагруженные» излишним крутящим моментом, дольше сохранят сцепление с дорогой, что даст возможность корректировки траектории машины рулевым управлением. Именно по этой причине почти на всех современных полноприводных машинах производители устанавливают несимметричные межосевые дифференциалы повышенного трения, либо блокируемые ВМ (Паджеро-4). Этим достигается стабильность и однозначность поведения автомобиля во время поворота в условиях недостаточного сцепления шин с дорогой.
Побочным свойством ВМ является небольшое увеличение проходимости – ведь она корректирует пропорцию распределения крутящего момента между осями машины, увеличивая крутящий момент на колесах оси, вращающихся медленнее, т.е. находящихся в лучших сцепных условиях. Но увеличение это незначительное (на машинах повышенной проходимости предусматривают возможность полной блокировки дифференциала шлицевой муфтой, при котором нагрузка с ВМ снимается).
Принято считать, что ВМ начинает частично блокировать дифференциал после того, как возникает разность в средних скоростях вращения колес ведущих осей машины. Это не совсем так. Для того, чтобы «провернуть» вал ВМ относительно ее корпуса, следует приложить определенное усилие, поскольку силоксан даже при температуре окружающей среды имеет определенную вязкость, к тому же трение, возникающее в уплотнениях, препятствует вращению. Благодаря этому ВМ сразу немного «придержит» выходной вал дифференциала, стремящийся вращаться быстрее, и за счет этого «базовая» пропорция дифференциала изменится. Таким образом, ВМ постоянно связывает небольшой силой трения выходные валы дифференциала (или его корпус и вал) и препятствует их вращению с неравными скоростями. В этом ее свойства слегка похожи на свойства описанной выше муфты с постоянным моментом трения (фирмы Тимкен). Но только у последней трение фрикционное (диск-диск), а у ВМ жидкостное (диск-силоксан-диск), и естественно силы внутреннего трения фрикционной муфты выше по величине, чем у ВМ, не вышедшей в рабочий режим. Поэтому в технической литературе ВМ иногда называют разновидностью гидромуфты.
Вторым направлением использования ВМ в трансмиссии стало их применение для передачи крутящего момента на вторую ведущую ось (обычно заднюю) полноприводных автомобилей, не оснащенных межосевым диффеенциалом, но этот аспект в данное исследование не входит (подробнее об этом можно посмотреть тут http://pickupclub.ru/forum/showthread.php?t=20585).

Героторный дифференциал.

Следующей разновидностью автоматической блокировки с помощью многодисковых муфт является дифференциал, в котором сжатие дисков муфты организовано с помощью давления масла, создаваемого ротором масляного насоса, приводящегося в действие в случае вращения полуоси буксующего колеса со скоростью, превышающей скорость корпуса дифференциала. Соответственно, чем больше разница в скоростях – тем выше сила сжатия дисков и сильнее блокирующий момент. Теоретически, данная конструкция позволяет добиться полной блокировки дифференциала.





Такие дифференциалы выпускаются фирмой ASHA CORPORATION под коммерческой маркой Hydra-Loc (Vari-Lok) и устанавливаются в автомобиль Grand Cherokee.

В последние годы некоторые фирмы применяют дифференциалы, автоматически блокируемые многодисковыми муфтами с исполнительным механизмом, управляемым электронными системами. Диски сжимаются либо давлением масла, создаваемым гидронасосом, либо применяются электромагнитные муфты. Электронное управляющее устройство машины может в любой момент изменить степень блокирования дифференциала, например при торможении разомкнуть диски, что необходимо для корректной работы АБС, а в случае пробуксовки одного из колес за доли секунды их замкнуть и полностью заблокировать дифференциал, обеспечив колесам максимально возможную тяговую силу в соответствии с условиями сцепления. Тотальный контроль за работой систем автомобиля через компьютер – вот к чему теперь стремится мировой автопром.
Основное отличие дифференциалов повышенного трения от дифференциалов малого трения, автоматически блокируемых с помощью многодисковых муфт, заключается в том, что у первых дисковые муфты (обычно две) являются одной из деталей дифференциала и находятся внутри его корпуса, а у последних муфта одна и находится рядом с корпусом. В некоторых публикациях механизмы, рассмотренные в данной главе, тоже относят к самоблокирующимся дифференциалам, что не совсем правильно по сути.
В заключение хочу отметить, что конструкций самоблокирующихся дифференциалов множество, в настоящем исследовании были рассмотрены наиболее распространенные механизмы, нашедшие применение в серийно выпускаемых моделях полноприводных машин. Многие сложные процессы намеренно изложены несколько упрощенно (прошу знатоков сильно автора не ругать).
А закончить повествование хочу словами известного советского конструктора Анатолия Христафоровича Лефарова:
«Свойства дифференциальных и блокированных приводов противоположны. Привод, содержащий самоблокирующийся дифференциал, занимает промежуточное положение, и в зависимости от коэффициента блокировки может приближаться к дифференциальному приводу, одновременно удаляясь от блокированного, или наоборот, приближаться к блокированному приводу, удаляясь от дифференциального».


Лев Тюрин
Новогорск, ноябрь 2009

Список литературы
-----------------------------------------------------------------------
Александров Е.Б., Трикоз А.А., Шеметов С.В. Современные механизмы распределения мощности в трансмиссиях легковых автомобилей. М, ЦНИИТЭИавтопром, 1989.
Андреев А.Ф., Ванцевич В.В., Лефаров А.Х. Дифференциалы колесных машин. М., Маиностроение, 1987.
Степанова Е.А., Лефаров А.Х. Блокирующиеся дифференциалы грузовых автомобилей. Государственное научно-техническое издательство машиностроительной литературы. М, 1960.
Коротоношко Н.И., Шуклин С.А. Влияние конструкций шин и самоблокирующихся дифференциалов на проходимость автомобиля «Урал-375». Автомобильная промышленность, №7 1968.

стерто

Страннику большое спасибо за приведение этой ветки форума в благообразный вид технической статьи