Manual Дифференциалы как они есть

Хватит с тебя тюнинговых безумств! Пора в очередной раз задействовать другое полушарие мозга – то, в котором скрыт еще не признанный гений – конструктор. Сегодня речь пойдет об устройстве дифференциала. Если этот термин ассоциируется у тебя с курсом высшей математики, очень жаль – придется перевернуть твое представление о мире. Поехали!..

Рассматривайте этот смешной автомобиль быстрее. Когда он начнет движение, будет поздно: стрелка спидометра добежит до отметки 100 километров в час за три с половиной секунды! Ознакомиться с ним поближе ты сможешь из прошлогоднего, апрельского номера журнала MAXI Tuning.

Первым делом разберемся для чего служит сей девайс. Представь, что, рассекая по городу на своей до неприличия прокаченной тачке (о которой, почему-то до сих пор не написал журнал «MAXI-tuning»), на пути повстречалась очаровательная девушка, ну точь в точь как на 72-й странице. И для того, чтобы разглядеть ее со всех сторон, ты начинаешь незатейливо кружить вокруг, предположим, против часовой стрелки. В этот момент левые колеса твоего автомобиля двигаются по внутреннему радиусу, а значит проходят за один и тот же промежуток времени путь меньший, чем их соседи на оси, двигающиеся по внешней траектории. Вспомнив несложную формулу, связывающую время, путь и скорость, становится ясно, что правые колеса должны вращаться с большей скоростью, чем левые. Проблема в том, что двигатель у нас один, а значит момент, передаваемый на ведущие колеса нужно как-то разделить. Здесь и вступает в действие дифференциал. Если машина моноприводная то наш «спаситель» располагается на ведущей оси и называется межколесным.

Для неведущих колес подобной проблемы не возникает, ведь они вращаются независимо, но если на двери багажника сверкает шильдик 4х4, распределять крутящий момент требуется уже на все колеса. Тут трансмиссионные схемы разнятся - в игру вступает раздаточная коробка и межосевой дифференциал, но не будем забегать вперед.

А без него никак?

Можно и без него: были времена, когда автопроизводители не разменивались на подобные излишества. К примеру, в Великобритании в 20-е годы выпускался автомобиль под названием «Троян». Оснащался он жесткой ведущей осью. Представляете, какой нагрузке она подвергалась?

С такой схемой во время поворота автомобиль кренится, нагружая ведущее колесо на внешнем радиусе, а другому ничего не остается, кроме как вращаться с той же скоростью и пробуксовывать. На сверхмалых скоростях, правда, развесовка не играет решающей роли, а значит одно колесо буксует, другое – проскальзывает. Максимальная скорость «Трояна» не превышала 40 км/ч, а ведущие колеса оснащались износоустойчивой резиной. В результате примитивный агрегат нашел своего потребителя.

С тех пор скорости значительно подросли… на целый нолик, и если современный автомобиль лишить дифференциала, то при повороте, ведущие колеса будут выталкивать его на прямолинейную траекторию. Управляемость вернется к уровню начала прошлого века, существенно возрастет потребление горючего, а износ покрышек станет не по карману самому обеспеченному автолюбителю. Ну что, убедил, что «дифф» машине необходим, как топливо? Идем дальше…

Дифференциал автоматически компенсирует разницу в скорости вращения колес и распределяет крутящий момент обратнопропорционально сцеплению колеса с дорогой. Все это возможно благодаря применению так называемого планетарного механизма. Он и получил наибольшее распространение. За примером далеко ходить не нужно – отечественные «Жигули» обладатели классического дифференциала.

Но, как это часто бывает, новая технология решает одну проблему, создавая новые. Например, если одно ведущее колесо окажется на льду, а другое на сухом асфальте, автомобиль может остаться неподвижным, как бы лихо ты не вдавливал педаль газа в пол. При этом одна сторона будет старательно шлифовать лед, а другая прикидываться, будто вовсе и не при делах. То же самое произойдет, если колесо вывесить на бездорожье.

Другими словами, как только сцепление с дорогой исчезает, на колесо устремляется весь крутящий момент. Как же обеспечить при необходимости разную скорость вращения, но при этом не передавать весь момент на буксующее колесо? Для этого применяются различные способы полной и частичной, автоматической и ручной блокировки дифференциалов.

100% ручная (принудительная) блокировка

Самый простой и эффективный способ выбраться из грязи – полностью заблокировать «дифф», например, лишив сателлиты возможности вращаться. Классический дифференциал превращается в обыкновенную муфту, при этом крутящий момент и угловые скорости ведущих колес становятся равными. Подобная блокировка может быть реализована при помощи гидро-, электро- или пневмопривода с управлением из салона (достаточно одной кнопки на приборной панели). Наибольшее распространение сегодня получили механизмы с пневмоблокираторами от фирмы ARB.

В момент блокировки автомобиль должен быть неподвижным. Управлять машиной с полностью заблокированным дифференциалом нужно крайне аккуратно, ведь мощности двигателя вполне достаточно, чтобы при бездумном подходе сломать полуось или порвать сам механизм блокировки. Главное тут без фанатизма!

Такой зверской опцией могут похвастать полноценные рамные вседорожники, как правило, с армейскими корнями: Mercedes G-Class, Toyota Land Cruiser. Превращать свой автомобиль в неповоротливого «Трояна», конечно, не выход. Поэтому существуют самоблокирующиеся дифференциалы с несколькими видами блокировок:

Вязкостная муфта (вискомуфта)

Эффективный способ «плавающей» блокировки предложил инженер Фергюсон более 40 лет назад. Принцип действия устройства основывается на вязкостных свойствах ряда жидкостей (силикона). Существует два принципиально разных варианта применения вискомуфты в полноприводной трансмиссии. Первый - муфта устанавливается соосно полуоси, при этом один привод жестко связывается с чашкой дифференциала, а другой с полуосью.

Пока скорости вращения валов примерно одинаковы, муфта остается разомкнутой. Чем больше разность угловых скоростей, тем сильнее взбалтывается рабочая жидкость. Вязкость возрастает, ограничивая тем самым функционирование дифференциала. Такую схему можно встретить в трансмиссии современных Mitsubishi Eclipse GSX, полноприводных Subaru и уже снятых с производства Toyota Celica turbo или BMW325ix.

Второй вариант применения вискомуфты – вместо межосевого дифференциала.Одни из первых разработали такую схему инженеры Audi, но быстро от нее отказались. По сути, это отход от полноценного 4WD, который в свое время поддержали все японскими автопроизводители. Крутящий момент по карданному валу устремляется к задней оси, где перед редуктором проходит через вязкостную муфту. Пока скорости вращения передних и задних колес одинаковы или не сильно отличаются, муфта отдыхает. Блокировка происходит, как только передние колеса начинают буксовать. В обычном режиме автомобиль остается переднеприводным. У Mitsubishi эта схема называется VCU (Viscous Coupling Unit), у Toyota - V-Flex II, у Volkswagen - Syncro. Вариант весьма простой и дешевый, но эффективен в «тепличных условиях», то есть на хорошей дороге. Среди носителей подобной схемы: Mitsubishi Lancer-Cedia и Colt New, и даже такие супер-кары, как Porsche 911 Turbo и Lamborghini Diablo VT (эти, конечно, изначально заднеприводные).

Для откровенного бездорожья схема не подходит – это скорее удел «паркетников» вроде Toyota Rav4, Lexus RX300. Вискомуфта в компании с межосевым «диффом» встречается и в трансмиссии Land Rover Defender, а Cherokee и вовсе возит с собой полный комплект - три гидравлические вискомуфты на всех дифференциалах.

Винтовая (червячная) блокировка

Скользким названием устройство обязано применению винтов вытянутой формы, похожих на червяков. В штатном режиме винты свободно обкатываются вокруг центральной шестерни. При изменении момента, они скользят в крайнее положение, фиксируясь в эксцентричных пазах. Время и скорость блокировки напрямую зависит от профиля винтов, которые возвращаются на исходную, когда угловые скорости колес сравниваются.Примерно так же действуют кулачковые и зубчатые автоматические блокировки: между парами корончатых шестерен полуосей располагаются кулачки. Если одно колесо начинает вращаться значительно быстрее другого, кулачки поворачиваются и пары шестерен входят в зацепление. Существуют схемы, при которых одна из полуосей во время пробуксовки просто отключается, поэтому такими механизмами штатно оборудуют спецтехнику, например, БТР. Механизмы элементарные, долговечны и смазываются обычной «трансмиссионкой».

Совсем забыл - меня просили тебя не перегружать… как там твой процессор – еще не перегрелся? Отдохни, перелистай еще разок журнал или озадачься вопросом, на какую стенку повесить новый постер от «MAXI-tuning». Потом обязательно возвращайся в MANUAL и помни: если дочитал до этого места, справишься и с оставшейся частью. Дальше самое интересное!

LSD

Самоблокирующиеся дифференциалы с ограниченным «проскальзыванием» одной полуоси относительно другой называют Limited Slip Differentials (LSD). По типу блокировки их можно разделить еще на два вида: в зависимости от скорости (speed sensitive) и от величины момента (torque sensitive). К первым относятся, так называемые, дисковые блокировки. Здесь все основано на силе трения. Простейший вариант с одной фрикционной муфтой представляет из себя два диска, установленных между коробкой дифференциала и полуосью. Они прижимаются друг к другу пружинами и вращаются, как одно целое пока угловые скорости совпадают. Дальше сообразить не сложно. Вариант по сложнее – так называемый, дифференциал повышенного трения с двойными фрикционными муфтами. Крестовину заменяют две, пересекающиеся под прямым углом оси сателлитов. Друг относительно друга они имеют возможность перемещаться в осевом и угловом направлениях. При вращении сателлитов (в результате разности угловых скоростей ведущих колес), концевые скосы осей сдвигаются таким образом, что усилие на фрикционную муфту запаздывающей полуоси будет возрастать, а для опережающей – уменьшаться. Такой «дифф» придется заправлять специальным трансмиссионным маслом или присадками к обычному, к тому же периодически «выбирать» износ дисков.

Светлые головы американской фирмы ASHA Corp. снабдили пакет фрикционов LSD насосом с поршнем, который нагнетает рабочую жидкость (масло), толкая поршень. Последний в свою очередь дополнительно сдавливает фрикционные диски (получился героторный дифференциал). Американцы запотентовали изобретение, как Gerodisk (Hydra-Lock) и устанавливают его на внедорожники Chrysler.

Минус один: сила трения стремится крутить колеса с одинаковой скоростью, и автомобиль становится неповоротливым. Хорошо, что блокировка дифференциала ограничена, иначе мы бы снова вернулись к пресловутому «Трояну». Подобные «диффы» с фрикционными блоками можно встретить у таких внедорожников, как Toyota 4Runner (Hilux Surf), Kia Sportage или Nissan Terrano.
Теперь о втором подвиде LSD, которые блокируются в зависимости от величины крутящего момента. Технология эта наиболее эффективна. Первопроходцами вновь стали заокеанские инженеры - Gleason Сorp назвали свое детище Torsen. Он значительно превосходит аналоги, не имея существенных недостатков. Работа основана на принципе червячной передачи. Распределяя момент, Torsen устремляет большую его часть на колесо, обладающее лучшим сцеплением с дорогой. Другими словами, все происходит в точности до наоборот по сравнению с классическим «диффом», а, главное, механически.

Специалисты Porsche в трансмиссии 964 Carrera 4 предпочли Torsen основному конкуренту - вискомуфте с ее не линейной характеристикой блокировки. Ключевую роль сыграл и процесс разблокировки: Torsen «отпускает» ведущие колеса, как только исчезает тяга с двигателя, а вискомуфта продолжает блокировать дифференциал даже при ее отсутствии, реагируя лишь на разницу угловых скоростей.

Финишная прямая

Автопроизводители с каждым годом все активнее наполняют машины электроникой: всевозможными датчиками и системами. ABS’ом уже никого не удивишь. Сегодня к нему присоединилсь системы контроля тяги и сцепления колёс — Traction Control. Он анализирует и сравнивает скорость вращения каждого колеса. Как только начинается пробуксовка, система нагружает колесо, притормаживая его, и, тем самым, дает возможность дифференциалу перераспределить момент на противоположное колесо с лучшим сцеплением. Traction Control способен даже прикрыть дроссельную заслонку, если водитель чрезмерно увлекся экстремальной ездой.

Подобные системы со временем перекочевали и на внедорожники, удачно дополнив самоблокирующиеся дифференциалы и сопутствующие механические устройства. Наиболее удачным примером такого симбиоза являются последние поколения вездеходов от Toyota, выполненных на единой платформе: 4Runner (Hilux Surf), Prado и Lexus GX470. Вместе с межосевым дифференциалом Torsen над безопасностью, управляемостью и проходимостью в них работает многофункциональная система контроля тормозных усилий и тяги. Так что будущее за электроникой.

Теперь ты знаешь о дифференциалах все или почти все, но вполне достаточно, чтобы изобретать и творить. Как знать, может именно ты осилишь принципиально новый и более совершенный механизм. Главное, не забывай о нас, когда будешь получать Нобелевскую премию.