Автоблог

Общие сведения

При движении автомобиля на повороте, по неровностям дороги и т.д. колеса проходят путь разной длины. Чтобы не происходило проскальзывания шин по асфальту, они должны вращаться с разными скоростями.

Колеса ведомой оси вращаются независимо друг от друга, поэтому катятся без пробуксовки.

Дифференциал - механизм, позволяющий колесам ведущей оси вращаться с разными скоростями и подводящий к ним крутящий момент. В трансмиссии автомобилей с одной ведущей осью дифференциал устанавливается между приводами колес (полуосями, ШРУСами и т.п.), поэтому его называют межколесным. В полноприводных автомобилях (со всеми ведущими колесами) он может находиться и между ведущими осями (межосевой дифференциал). Крутящий момент к дифференциалу подводиться от двигателя через агрегаты трасмиссии (коробку передач, карданный вал, главную передачу и т.д.)

Крутящий момент - характеристика вращательного движения. Его величина равна произведению силы на плечо (расстояние от точки приложения силы до оси вращения) и измеряется в Н·м (ньютон на метр). Например, если двигатель развивает крутящий момент 100 Н·м, значит, сила на плече в 1 м будет составлять 100 Н.

Сила сцепления - колеса с дорогой равна произведению весовой нагрузки на колесо (которую колесо передает на дорогу) на коэффициент сцепления.

Сила тяги на колесе зависит от радиуса колеса и подводимого к нему крутящего момента. Она ограничивается силой сцепления с дорогой, то есть не может больше нее. Произведения силы тяги на радиус колеса дает тот крутящий момент, который дифференциал может передать на колеса. Когда сцепление с дорогой мало (например, на гладком льду) или колесо вывешено (отсутствует весовая нагрузка), крутящий момент и силы тяги на колесе очень малы или отсутствуют. Если “тяга” меньше сопротивления движению, автомобиль не сможет тронутьяс с места.

На легковых автомобилях, предназначенных для движения по дорогам с твердым покрытием (асфальтом, бетоном), наибольшее распространение получил дифференциал с коническими шестернями.

Дифференциалы с коническими шестернями

Представляют собой зубчатую передачу с подвижными осями зубчатых колес (такие передачи назыывают планетарными). ЕЕ основными элементами являются:
- корпус, с которым жестко соединено ведомое зубчатое колесо главной передачи (передающей крутящий момент от карданного вала на корпус дифференциала). На легковых автомобилях, как правило, корпус имеет неразъемную конструкцию и окна для монтажа шестерен;
- сателлиты - конические зубчатые колеса, которые могут поворачиваться вокруг оси. В дифференциалах легковых автомобилей обычно устанавливаются два сателлита;
- ось сателлитов, жестко закрепленная в корпусе и вращающаяся вместе с ним. На ней расположены спиральные канавки для улучшения смазки сателлитов;
- две конические шестерни, входящие в зацепление с сателлитами и жестко соединенные с выходными валами дифференциала (полуосями, ШРУСами и т.д.). Эти шестерни принятор называть полуосевыми.

При движении автомобиля ведомая шестерня главной передачи вращает корпус дифференциала и, соответственно, ось с сателлитами, которые передают движение полуосевым шестерням, а они, в свою очередь, на колеса.

На прямой и ровном отрезке пути колеса проходят одинаковое расстояние, поэтому полуосевые шестерни и корпус дифференциала, а также ось сателлитов вращаются с одинаковой скоростью. Последние не поворачиваются относительно своей оси.

Когда автомобиль совершает поворот, внутреннее (расположенное ближе к центру поворота) колесо начинает вращаться медленнее (поэтому его называют отстающим). Соответственно, соединенная с ним полуосевая шестерня совершает меньше оборотов в минуту, чем корпус дифференциала и ось сателлитов. Это вынуждает их поворачиваться вокруг оси и увеличивать скорость вращения второй шестерни и наружнего (забегающего) колеса. Так обеспечивается разное число оборотов шин, необходимое для движения без пробуксовки.

Этот вид дифференциалов называют также симметричным, так как они поровну распределяют крутящий момент между колесами. Это происходит потому, что сателлит работает как равноплечий рычаг и передают только равные усилия к шестерням и колесам. Как сказано выше, если одно из колес имеет малое сцепление с дорогой, крутящий момент на нем небольшой, соотвественно симметричный дифференциал подводит такое же усилие к другому колесу. То есть если одно из колес буксует, значит, сила тяги на втором колесе незначительна, что отрицательно сказывается на проходимости. Для ее улучшения на автомобилях применяют полную или частичную блокировку дифференциалов, степень которой оценивают коэффициентом блокировки.

Коэффициент блокировки.

Коэффициент блокировки (К_b) - это отношение крутящего момента на отстающем колесе к моменту на забегающем. Его величина для симметричного дифференциала равна 1 (моментты на обоих колесах равны), для дифференциалов повышенного трения (см. ниже) К_b - 3-5.

Чем больше К_b, тем лучше проходимость автомобиля. Например, при большом коэффициенте блокировки ухудшаются управляемость и устойчивость траспортного средства при движении по асфальту. Это связано с тем, что на отстающем колесе момент в несколько раз больше и оно старается как бы “вытолкнуть” автомобиль из поворота. К тому же возрастает износ шин из-за частичной пробуксовки, нагрузки на элементы привода, снижается к.п.д., что приводит к увеличению расхода топлива.

Дифференциалы с полной блокировкой

Имеют муфту, жестко соединяющую (блокирующую) корпус дифференциала и шестерню выходного вала. Привод муфты может быть механическим, гидравлический или пневматический, а управление блокировкой осуществляется водителем (блокировка межосевого дифференциала на ВАЗ-21213). После преодоления труднопроходимого участка водителю необходимо сразу отключать блокировку, что требует от него дополнительного внимания. Иначе на шины и трансмиссию будут действовать избыточные нагрузки, а автомобиль будет хуже управляем.

У механизмов повышенного трения - многодисковых дифференциалов, вискомуфт, дифференциалов “Квайф” и “Торсен” блокировка (частичная) осуществляется автоматически, без участия водителя.

Многодисковые дифференциалы

Основное отличие таких механизмов от симметричного дифференциала заключается в наличии подпружинного пакета фрикционных дисков, одна из которых жестко связана с корпусом, а другая с полуосевыми шестернями.

При разных оборотах колес полуосевые шестерни дифференциала вращаются быстрее или медленнее корпуса. За счет это между фрикционными дисками возникают силы трения, препятствующие свободному вращению шестерен,то есть осуществляющие частичную блокировку. Соответственно на отстающем колесе увеличивается крутящий момент и сила тяги.

Фрикционные диски в некоторых конструкциях не подпружинены, а сжимаются давлением жидкости, создаваемым насосом. Например, одна из таких конструкций носит название “героторный дифференциал” (от анг. Gear - шестерня). Он имеет шестеренчатый насос, создающий давление жидкости при разных скоростях вращения полуосевых шестерен корпуса.

Вискомуфта

Получила свое название от лат. viscosus - вязкий. Ее основными элементами являются:
- корпус и вал, герметизированные с помощью уплотнений
- диски, одна половина которых соединена шлицами с корпусом, другая с валом. Диски имеет каналы и отверстия для увеличения вязкости трения жидкости.
- силиконовая (кремнийорганическая) жидкость, которая обладает высокой вязкостью и заполняет корпус на 80-90%.

Вискомуфта передает подводимый к ней крутящий момента за счет внутреннего трения в жидкости, находящейся между дисками. Когда их скорости одинаковы, муфта передает небольшую часть усилия (5-7%). При отставаниии ведомых дисков от ведущих жидкость перемешивается, температура и вязкость ее растут, она расширяется сжимает воздух. Когда он почти полностью сжат, давление в муфте резко возрастает, что вызывает осевое перемещение дисков по шлицам до их механического контакта. Это приводит к резкому возрастанию передаваемого момента(”хамп-эффект”), что может отрицательно сказаться на управляемости автомобиля. В результате вращения передается за счет механического трения, температура и соответственно давление жидкости постепенно снижаются, диски выходят из механического контакта.

Передаваемый момент зависит от характеристик муфты и от разности скоростей вращения ее валов.

Вискомуфта может устанавливаться как самостоятельный узел между ведущими осями или “встраиваться” в конический дифференциал.

Этот узел не пригоден к ремонту, так как количество и вязкость жидкости определяют характеристики вискомуфты и строго контролируются при ее изготовлении. При утечке части жидкости муфта подлежит замене.

Дифференциал “Квайф”

Конструкция механизма зарегистрирована под торговой маркой “Квайф” (Quaife). Сателиты у него расположены в два ряда параллельно оси вращения корпуса. Причем они крепяться не на осях, а находятся в закрытых с обоих концов отверсиях корпуса. Правый ряд сателитов входит в зацепление с правой полуосевой шестреней, левый - с левой. Кроме того, сателиты из разных рядов зацепляются между собой попарно. Все зубчатые колеса имеет винтовые зубья.

Когда одно из колес начинает отставать, связанная с ним полуосевая шестерня начинает вращаться медленнее корпуса и поворачивать входящий с ней в зацепление сателлит. Он передает движение связанному с ним сателлиту из другого ряда. а тот, в свою очередь, на полуосевую шестерню. Так обеспечиваются разные обороты колес на повороте. Благодаря разности крутящих моментов на колесах в винтовом зацеплении возникают осевые и радиальные силы, прижимающие полуосевые шестерни и сателлиты торцами к корпусу. Последние также прижимаются вершинами зубьев к поверхности отверстий, в которых они расположены. За счет этого возникают силы, осуществляющие частичную блокировку, что увеличивает силу тяги на отстающем колесе и, соответственно, суммарную силу тяги автомобиля, повышая его проходимость.

Величина коэффициента блокировки зависит от угла наклона зубьев сателлитов и полуосевых шестерен. Устанавливая в корпус комплекты сателлитов и шестерен с различным углом наклона зубьев, изменяют коэффициент блокировки в зависимости от характеристик автомобиля и условий его применения.

Дифференциалы “Торсен”

Получили свое название от англ. Torque - крутящий момент и sensing - чувствительный, тоесть чувствительный к крутящему моменту. Механизмы, выпускаемые под этой торговой маркой, имееют два типа конструкций.

Сателлиты расположены в корпусе перпендикулярно его оси и объединены между собой попарно с помощью прямозубого зацепления, а с полуосевыми шестернями связаны червячным зацеплением.

На повороте полуосевая шестерня, связанная с отстающим колесом, поворачивает входящий с ней в зацепление сателлит, он, в свою очередь, вращает второй сателлит и другую полуосевую шестерню. Такой “цепочкой” колесам автомобиля обеспечивается возможность вращаться с разной скоростью. Силы трения, возникающие в червячном зацеплении от разности моментов на колесах, осуществляют частичную блокировку дифференциала.

Применение комплектов сателлитов и шестерен с различным профилем червячного зацепления дает возможность изменять коэффициент блокировки. Недостаток этого вариант - сложность конструкции и ее сборки.

Сателлиты расположены параллельно оси корпуса дифференциала в его отверстиях и соединены попарно между собой и с полуосевыми шестернями винтовым зацеплением. работа механизма на поворотах и частичная блокировка осуществляются так же, как у “Квайфа”. Этот вариант конструкции менее сложный, кроме того позволяет уменьшить диаметр корпуса дифференциала.

ДОЛОЙ ВНУТРЕННЮЮ СВОБОДУ!

Для того чтобы преодолеть врожденный недостаток обычных дифференциалов ухудшать проходимость, созданы десятки различных конструкций этих узлов. К разговору о других типах дифференциалов мы еще вернемся, а пока остановимся подробней на том устройстве, которое мы будем испытывать.Эта конструкция разработана в 1965 году английской фирмой Quaife Engineering и относится к цилиндрическим самоблокирующимся дифференциалам повышенного трения (или, как их называют за рубежом, дифференциалам ограниченного проскальзывания — limited slip). Принцип действия таких устройств несложен. Если с какой-то силой “зажать” сателлиты, не позволяя им вращаться между полуосевыми шестернями с относительно большими скоростями, то дифференциал, с одной стороны, сможет выполнять свою основную работу в поворотах, позволяя колесам вращаться с различными угловыми скоростями, а с другой — будет распределять крутящий момент в тяжелых условиях так, что это позволит колесу, находящемуся в лучших условиях сцепления с дорогой, реализовывать большую силу тяги.

Бесспорное достоинство дифференциала Quaife — его простота. Две корпусные детали, две полуосевые шестерни, десять шестерен-сателлитов (все — цилиндрические), сепаратор — и все! Когда автомобиль движется по прямой, то Quaife работает как обычный дифференциал. Полуосевые шестерни вращаются с одинаковыми скоростями, а сателлиты только передают крутящий момент поровну на оба колеса, вращаясь вместе с корпусом и полуосевыми шестернями как одно целое. А в повороте, когда возникает рассогласование оборотов колес, сателлиты прокручиваются между корпусом и полуосевыми шестернями, позволяя забегать вперед наружному колесу.

Отличие дифференциала Quaife от обычного состоит в следующем. Во-первых, сателлиты установлены в отверстиях корпуса свободно, без осей, и чуть-чуть “играют” в своих нишах. Во-вторых, зубья на шестернях и сателлитах сделаны косыми, поэтому при подаче крутящего момента сателлиты под действием осевой составляющей усилия прижимаются к стенкам корпуса торцами, а вдобавок “выжимаются” и трутся о корпус вершинами зубьев. Получается, что при разгоне дифференциал частично блокируется. Но если колеса все же преодолеют внутреннее трение и начнут вращаться с разными скоростями, этому будут препятствовать еще две составляющие — трение в зацеплении сателлитов с полуосевыми шестернями и друг с другом.

Итак, дифференциал повышенного трения Quaife обладает меньшим кпд (из-за потерь на трение), но на скользких покрытиях или при избытке тяги он может полнее реализовать крутящий момент двигателя. А это как раз то, что нужно спортсменам!
Теперь остается снять коробку передач с нашей “девяносто девятой”, разобрать ее, поставить Quaife — и в путь.

Впереди едет ВАЗ-21093 в стандартной комплектации, следом за ним — ВАЗ-21099 с самоблокирующимся дифференциалом в трансмиссии. Обе машины обуты в “злобные” шины НИИШП-Ралли.

Разгон на прямой по чистому асфальту. Различий нет.

Пологий поворот, педаль газа отпущена — машины вновь ведут себя одинаково.
Но вот в повороте мы прибавили газ — и руль в руках водителя “девяносто девятой” ожил, стремясь повернуться в “ноль” почти вдвое сильнее, чем на стандартной машине! Сателлиты под действием приложенного крутящего момента прижались к корпусу, дифференциал “прихватило”. Потому-то и возросло возвращающее усилие на руле, а вдобавок, конечно, износ шин и расход топлива. Выезжаем за город. Под колесами - накатанные полосы чистого асфальта, а между ними и по бокам — снег. Знакомая картина…

Так выглядят внутренности обычного конического дифференциала (слева). Между левой и правой полуосевой шестернями располагаются сателлиты (в этой конструкции для грузовика их четыре, а в легковом автомобиле, как правило, два).

Quaife столь же компактен.

Выходим на обгон, съезжаем с асфальта, цепляя колесами снежные наносы, и… что есть силы удерживаем баранку “девяносто девятой”, а заодно и рыскающий по сторонам автомобиль! То же самое происходит при старте с заснеженной обочины, когда под одним колесом снег, а под другим асфальт. Машину с блокировкой сильно “затягивает” на обочину - ведь дифференциал в этих условиях частично заблокирован и позволяет колесу на асфальте “грести” намного интенсивнее, чем колесу на снегу. И все же машина разгоняется намного увереннее, чем стандартная. На заснеженных дорогах Подмосковья за рулем “девяносто девятой” мы чувствовали себя настолько уверенно, насколько это вообще возможно на легковом переднеприводном автомобиле. Скользкий подъем, целина (конечно, разумной глубины), небольшой снежный завал - нам все было нипочем. Стандартная “девятка” уже буксует, водитель прецизионно орудует газом и сцеплением, раскачивает машину переключениями вперед-назад, а “девяносто девятая” на тех же шинах, в тех же условиях верно движется вперед, загребая снег обоими колесами.

А что с управляемостью? Выезжаем на замкнутую трассу, проложенную по льду одного из подмосковных озер, и устраиваем мини-соревнование: кто покажет лучшее время круга за рулем каждой из машин? Оказалось, что на машине с блокировкой в трансмиссии каждый из нас проехал километровую трассу в среднем на пять секунд быстрее, и управлять ей было проще! Дело в том, что обычный переднеприводный автомобиль реагирует на увеличение подачи топлива сносом передней оси - скользит наружу поворота. А самоблокирующийся дифференциал в тех же условиях позволяет еще и тягой “затаскивать” машину в поворот. Наш ВАЗ-21099 часто используется в качестве “агрегатоносителя” при различных испытаниях, и именно поэтому нам важно, чтобы машина оставалась в “родной”, стандартной комплектации. Если бы не это обстоятельство, то мы без колебаний поставили бы на машину этот самоблокирующийся дифференциал - классная вещь! Самое главное, что его установка дает повышение проходимости и чувство уверенности в автомобиле на заснеженных и просто скользких дорогах. Даже когда мы вместо “зубастых” шин НИИШП поставили на автомобиль летние покрышки GoodYear и, осмелев, ринулись в снежную целину (конечно, не очень глубокую), то так и не смогли “засадить” машину: когда уже не было хода вперед, всегда можно было отползти по своей же колее назад, а потом с разгона продолжить штурм бездорожья. И это тот плюс, который по достоинству оценит каждый.

Ну, а лучшая управляемость поможет спортсменам или активным водителям при езде в предельных режимах. (То, что самоблокирующиеся дифференциалы нашли широкое применение в мире автоспорта, уже говорит само за себя.)