Как устроен и работает дифференциал повышенного трения?

Дифференциал повышенного трения устанавливается на автомобиле ГАЗ-66 (рис.) и состоит из двух чашек 1 и 7, опирающихся на роликовые конические подшипники, смонтированные в картере ведущего моста. К левой чашке жестко прикреплен сепаратор 2, в котором просверлено два ряда радиальных отверстий, расположенных в шахматном порядке по 12 в каждом ряду. В отверстия установлены сухари 3, изготовленные из легированной стали, термически обработанные и имеющие высокую твердость. Сухари могут перемещаться и соприкасаться с внутренней (малой) 5 и наружной (большой) 6 звездочками, установленными между чашками 1 и 7. От выпадания и проворачивания сухари удерживаются стопорными кольцами 4. Сепаратор вместе с чашкой дифференциала жестко крепится к ведомой шестерне главной передачи, а звездочки внутренними шлицами соединяются с полуосями 8. На внутренней поверхности звездочки 6 равномерно расположены шесть выступов (кулачков), а на внешней поверхности внутренней звездочки 5 имеется два ряда кулачков, расположенных в шахматном порядке по шесть кулачков в каждом ряду. В рабочем положении сухари соприкасаются с кулачками наружной и внутренней звездочек.

Работает дифференциал так. При движении автомобиля по прямой ровной дороге частота вращения колес одинаковая, все детали дифференциала вращаются как одно целое вместе с ведомой шестерней главной передачи. Крутящий момент от ведомой шестерни главной передачи передается на сепаратор, а от него через заклиненные между кулачками сухари на звездочки и полуоси. Между колесами в этом случае он распределяется поровну. На повороте или неровной дороге, когда одно из колес вращается быстрее другого, с разной частотой вращаются и звездочки дифференциала. Звездочка, соединенная с отстающим колесом, вращается медленнее и вследствие этого своим н кулачками толкает сухари в сторону второй звездочки, ускоряя ее вращение. При этом сухари скользят по кулачкам. Следовательно, на поверхностях кулачков возникают силы трения, направления которых различны на кулачках отстающей и забегающей звездочек: на отстающей звездочке равнодействующая сил трения направлена в сторону вращения, а на забегающей – в сторону, противоположную направлению вращения. Так как силы трения создают момент относительно оси вращения звездочек, то на отстающей звездочке он складывается, а на забегающей вычитается из крутящего момента. Следовательно, момент, передаваемый на отстающее колесо, оказывается больше момента, передаваемого на забегающее колесо. Это положительно сказывается на проходимости автомобиля. Например, при буксовании одного из колес на второе, вращающееся с меньшей скоростью, передается больший крутящий момент, и проходимость улучшается.

В дифференциале повышенного трения коэффициент блокировки, т. е. отношение усилия тяги небуксующего колеса к суммарному усилию на буксующем и небуксующем колесах равен 0,8, тогда как у шестеренного дифференциала он равен всего 0,55. Следовательно, кулачковые дифференциалы повышенного трения создают лучшие условия для прохождения автомобилем скользких участков дороги. В то же время они значительно дороже шестеренных дифференциалов, что и сдерживает их производство для массового внедрения на автомобилях.

Кулачковый дифференциал

Кулачковый дифференциал, в отличие от конического, обладает повышенным внутренним трением. Это позволяет рациональнее распределять тяговые силы между ведущими колесами, имеющими разные силы сцепления с дорогой, и практически исключить их раздельное буксование. При этом распределение сил тяги на ведущих колесах дифференцируется автоматически, без участия водителя и характеризуется коэффициентом блокировки:

где Мот – момент на отстающем валу; Мобг – момент на обгоняющем валу.

Кулачковые дифференциалы могут выполняться с горизонтально или радиально расположенными сухарями. Сухари могут размещаться в один или два ряда, выполняя функции сателлитов обычных конических дифференциалов. При однорядном размещении сухарей число кулачков на полуосевых звездочках должно быть разным для того, чтобы при этом хотя бы один сухарь передавал усилие.

При двухрядном размещении сухарей число кулачков на звездочках одинаковое, но один ряд сухарей смещен относительно другого на половину шага кулачков, чтобы исключить пульсацию передаваемого крутящего момента.

Двухрядный кулачковый дифференциал применяется на автомобиле ГАЗ-66-11 (рис. 1, а). Он устанавливается на двух конических подшипниках в картере главой передачи и состоит из чашки 4, сепаратора 2, внутренней звездочки 1, наружной звездочки 3, двадцати четырех сухарей 5.

Сепаратор 2 имеет два ряда отверстий, в которых размещаются сухари 5. От выпадения из сепаратора и проворачивания вокруг своих осей сухари удерживаются кольцами. Сепаратор 2 вместе с чашкой 4 крепится к ведомому зубчатому колесу главной передачи и образует корпус дифференциала.
Наружная звездочка 3 имеет на внутренней поверхности шесть равномерно распложенных кулачков. Она устанавливается свободно внутри чашки и соединяется шлицами с полуосью.

Внутренняя звездочка 1 имеет на внешней поверхности два ряда по шесть кулачков, расположенных в шахматном порядке. Эта звездочка находится в отверстии сепаратора и соединяется шлицами со второй полуосью.

В рабочем положении детали дифференциала устанавливаются таким образом, что сухари соприкасаются с кулачками наружной и внутренней звездочек.

Дифференциал работает следующим образом (рис. 1, б).
При движении автомобиля по ровной дороге все детали дифференциала вращаются вокруг обшей оси как одно целое, при этом угловые скорости колесных валов и корпуса дифференциала равны между собой. Сухари относительно сепаратора не перемещаются.

Крутящий момент передается от ведомого зубчатого колеса главной передачи на сепаратор 2, с него на сухари 5, которые давят на кулачки звездочек 1 и 3, приводя их во вращение. Сила нормального давления сухарей на кулачки наружной и внутренней звездочек одинакова, но окружные силы Р, вращающие звездочки, вследствие разных углов наклона профилей кулачков на звездочках разные.

На внутренней звездочке, имеющей больший угол наклона кулачков, окружная сила больше, чем на наружной. Бóльшая окружная сила, приложенная на меньшем радиусе наружной звездочки, дает такой же крутящий момент, как и меньшая окружная сила, действующая на бóльшем радиусе наружной звездочки.
Таким образом, крутящий момент при движении прямо по твердой дороге распределяется между колесами поровну.

При движении на повороте или по неровной дороге одно из колес начинает вращаться быстрее другого. Звездочка, соединенная с отстающим колесом, вращается медленнее. Своими кулачками она толкает сухари в сторону второй звездочки, ускоряя ее вращение, тем самым дифференциал позволяет колесам вращаться с разными угловыми скоростями.

При скольжении сухарей по кулачкам на их поверхности возникают силы трения Ртр. На звездочке, имеющей бóльшую скорость, сила трения направлена против вращения, притормаживая ее, а на отстающей звездочке – в сторону вращения, увеличивая тем самым окружную силу, в результате чего передаваемый на колесо крутящий момент возрастает в три-четыре раза.

К недостаткам кулачкового дифференциала по сравнению с коническим можно отнести:

  • сложность изготовления;
  • меньшие значения КПД из-за повышенного трения между деталями;
  • повышенное изнашивание из-за больших сил трения и контактных напряжений в деталях.

Блокировка дифференциала — это дополнительное конструктивное решение, позволяющее компенсировать его основные недостатки. Если на сухой ровной дороге дифференциал обеспечивает безопасное маневрирование и комфорт, то при выезде на пересеченную местность или во время движения по скользкому дорожному покрытию он может вообще лишить автомобиль возможности передвигаться. Чтобы этого не происходило, необходимо ограничить функциональность узла или полностью отключить его на некоторое время. Но методы блокировки дифференциала настолько разнообразны, что нужно рассмотреть основные из них по отдельности.

Главный недостаток дифференциала

Дифференциал служит для распределения крутящего момента, поступающего от главной передачи, между полуосями ведущих колес. Крутящий момент постоянен, но соотношение его величины на ведущих колесах в определенных ситуациях должно быть различным.

Эта функция важна, когда автомобиль входит в поворот: внешнее колесо движется по большему радиусу и, соответственно, проходит за равный промежуток времени больший путь, чем внутреннее колесо. Чтобы «успеть» это сделать, угловая скорость внешнего колеса на время прохождения поворота должна повышаться.

Из-за смены направления движения центр тяжести автомобиля смещается в сторону поворота. В результате увеличивается сила сопротивления качению, и внутреннее колесо оказывается под большей нагрузкой, чем внешнее. Оно снижает скорость, дополнительно нагружая свою полуось.

На этом этапе в корпусе дифференциала из-за снижения угловой скорости более нагруженной полуоси внутреннего колеса начинают вращаться сателлиты. Они сообщают больший крутящий момент второй полуоси. Внешнее колесо повышает угловую скорость пропорционально тому, насколько ее снизило внутреннее колесо. Благодаря точному соотношению угловых скоростей машина проходит поворот плавно, без прыжков и пробуксовки.

Тот же принцип распределения крутящего момента действует в ситуации, когда одно из колес буксует в грязи, на льду или попадает на ухаб. Оно получает больший крутящий момент, ослабляя тяговую мощность колеса, находящегося в хорошем сцеплении с дорогой. Критическая ситуация может возникнуть при распределении в процентном соотношении 0% к 100%: автомобиль перестанет двигаться.

Чтобы машина сдвинулась с места, необходимо перераспределить крутящий момент, сообщив большее его значение нагруженному колесу. При работающем дифференциале сделать это невозможно. Поэтому его частично или полностью блокируют.

Типы блокировки

Блокировать работу механизма можно методом прямого соединения его корпуса с нагруженной полуосью или ограничив возможность сателлитов вращаться.

Блокировка имеет следующие виды:

  1. Полная: величина передаваемого крутящего момента достигает 100 %. Детали узла соединяются жестко, лишая его возможности выполнять свои функции.
  2. Частичная: крутящий момент в определенном соотношении распределяется дифференциалом принудительно и за счет ограничения работы его составных частей.

Ручная блокировка дифференциала полноприводного автомобиля

В зависимости от степени участия водителя, блокировка дифференциала может производиться в ручном или автоматическом режиме:

  1. Принудительную блокировку выполняет водитель по мере необходимости (ручная блокировка). Для этого используют кулачковый дифференциал.
  2. Самоблокирующийся дифференциал накладывает ограничения на работу автоматически (автоматическая блокировка). Необходимость блокировки и ее степень определяются разностью крутящих моментов на полуосях ведущих колес или их угловых скоростей. Некоторые разновидности таких систем используют датчик блокировки дифференциала.

Виды блокирующих устройств

Устройство блокировки узла зависит от его типа и применяемого механизма. Различный функционал накладывает ограничения и определяет возможность использования в межколесных или межосевых дифференциалах.

Кулачковое блокирующее устройство

Принудительная блокировка ручным способом осуществляется кулачковой муфтой (на рис. выделена желтой окружностью). Муфта выполняет полную блокировку механизма, жестко соединяя его корпус с нагруженной полуосью.

Кулачковый дифференциал приводят в действие следующие виды приводов:

  1. механический;
  2. гидравлический;
  3. пневматический;
  4. электрический.

Они включаются с помощью рычажного механизма или специальной кнопки на приборной панели (для электропривода).

Благодаря универсальности кулачковый дифференциал применяют на межосевых межколесных механизмов.

Самоблокирующийся дифференциал и его разновидности

Устройство самоблокирующегося (автоматического) дифференциала использует принцип повышения сил трения при изменении условий нагрузки на полуоси ведущих колес. Поэтому его другое название – «дифференциал повышенного трения» или LSD (Limited Slip Differential).

Червячный дифференциал повышенного трения Torsen

Самоблокирующийся дифференциал имеет четыре основные разновидности, зависящие от способа увеличения трения:

  1. дисковый;
  2. червячный;
  3. вискомуфта;
  4. электронная блокировка.

Дисковый механизм

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

Дисковый дифференциал

В LSD этого вида трение создается между пакетами фрикционных дисков. Один фрикционный пакет имеет жесткое соединение с чашкой дифференциала, другие – с полуосями.

При равных скоростях вращения ведущих колес фрикционные пакеты вращаются с одинаковой скоростью. Когда угловая скорость меняется, диски ускоряющейся полуоси передают часть крутящего момента на другую полуось (частичная блокировка) за счет увеличивающейся силы трения с фрикционным пакетом корпуса (чашки).

Степень сжатия в дисковом дифференциале бывает постоянная (осуществляемая пружинами) или переменная (регулируемая гидроприводом).

Червячный механизм

Сателлиты и полуоси, имеющие в качестве привода червячную передачу, нашли широкое применение для создания LSD, который блокируется за счет разности крутящих моментов.

Такая система LSD с червячным приводом называется Torque Sensing (чувствительность к крутящему моменту) или сокращенно – Torsen. Принцип работы червячного механизма предельно прост: повышение крутящего момента на одной полуоси приводит к частичной блокировке и его передаче на другую полуось. При этом никаких дополнительных систем или узлов не требуется: червячный узел является изначально самоблокирующимся за счет свойств привода, в котором червячную шестерню не могут приводить в движение другие шестерни.

Червячный привод используют в межколесных и межосевых дифференциалах различных типов машин.

Вискомуфта

Вискомуфта состоит из набора близко размещенных между собой перфорированных дисков, помещенных в герметичный корпус с силиконовой жидкостью, которые соединены с чашкой и приводным валом.

Вискомуфта

При равенстве угловых скоростей узел работает в обычном режиме. Его блокировка происходит, когда скорость вращения вала увеличивается: диски, расположенные на нем, увеличивают скорость вращения и, перемешивая силикон, приводят к его затвердеванию. Диски чашки принимают и передают крутящий момент на другой вал, усиливая его тяговую мощность.

LSD, функции блокировки в котором выполняет вискомуфта, имеет большие габаритные размеры и применяется в межосевых дифференциалах. Также вискомуфта может работать в полноприводном автомобиле в качестве дифференциала, полностью выполняя его функционал.

Но у нее есть серьезный недостаток: возможный перегрев и периодическая несовместимость с системой ABS. Это привело к тому, что в современных автомобилях вискомуфта используется крайне редко.

Электронная блокировка

Дифференциал повышенного трения, в котором используется система электронной блокировки, реагирует на изменение угловых скоростей ведущих колес.

Управление дифференциалом производится с помощью программного обеспечения. В случае увеличения скорости вращения одного колеса в тормозной системе создается давление, и его скорость снижается. При этом тяговая мощность становится выше, а крутящий момент передается на другое колесо.

Таким образом,дифференциал не оснащается дополнительными элементами и не блокируется, то есть не является LSD по сути. Перераспределение крутящего момента и выравнивание угловых скоростей производится под действием тормозной системы, которая программно управляется антипробуксовочной системой.

Подведем итог

Блокировка дифференциала – важная функция, обеспечивающая безопасность движения и улучшающая управляемость автомобиля в критических ситуациях. Возможность автоматически заблокировать буксующее колесо или ось освобождает водителя от дополнительных действий при смене дорожного покрытия.