Дифференциалы: о пользе неравенства

[Viktor_Zh]

http://www.qr.ru/content/article.php?id=421раму: о пользе неравенства По мере развития конструкция автомобиля обрастала устройствами, необходимость которых диктовали законы механики. Одним из первых появился дифференциал.Не надо быть гением, чтобы заметить: когда автомобиль поворачивает, каждое колесо движется по своей дуге, и все они имеют разный радиус. То есть за одно и то же время наружное колесо проходит больший путь, чем соседнее внутреннее, а значит, должно вращаться быстрее. И не проблема, если эти колеса не ведущие – они могут вращаться как угодно.Иное дело – ведущие колеса. Ведь к ним надо подвести от двигателя крутящий момент, а это в большинстве автомобилей мы делаем при помощи валов – стальных стержней или труб, причем весьма жестких. И если посадим два ведущих на одну такую общую жесткую ось, то получим… В общем, ничего хорошего: из-за того, что мы заставим колеса вращаться с одной скоростью, шины в поворотах будут сильно изнашиваться, а вал – испытывать большие нагрузки. Да и поведение автомобиля будет весьма специфическим – наглядной иллюстрацией может служить заезд в картинг-клубе. Ведь у картов задние колеса как раз и сидят на одной жесткой оси. Малейшая ошибка со скоростью входа в поворот – и маленький гоночный автомобиль уходит в глубокий занос. Понятно, что все это совершенно неприемлемо для автомобилей, которыми мы пользуемся ежедневно. Никого не устроит ни повышенный износ шин, ни риск поломки приводных валов, ни малопредсказуемое поведение в повороте. Именно поэтому едва ли не с самого момента появления самодвижущихся экипажей на них стали устанавливать ДИФФЕРЕНЦИАЛ – устройство, позволяющее правильно распределить момент между ведущими колесами и дать им возможность вращаться с разными скоростями.КАК РАБОТАЕТ ДИФФЕРЕНЦИАЛДифференциал – это планетарный механизм. То есть такая зубчатая передача, в которой вращение передается через САТЕЛЛИТЫ – шестерни с подвижными осями вращения, обкатывающиеся вокруг одного или двух зубчатых колес, как планеты вокруг солнца. Оси вращения сателлитов объединяет общий элемент – ВОДИЛО. Зубчатые колеса дифференциала, включая сателлиты, могут быть цилиндрическими, червячными или коническими. В последнем случае и дифференциал называют коническим – он, кстати, самый распространенный в автомобилях.Принцип действия устройства попробуем понять на примере конического межколесного дифференциала, то есть распределяющего крутящий момент между колесами одной ведущей оси. Крутящий момент от двигателя передается на водило, роль которого выполняет коробка дифференциала. К колесам он отводится полуосевыми шестернями, в этой планетарной передаче являющимися солнечными. Межколесный дифференциал, как правило, СИММЕТРИЧНЫЙ – так называют дифференциал, распределяющий крутящий момент между колесами поровну, т.е. в соотношении 50:50.Итак, автомобиль едет по прямой, оба ведущих колеса находятся в одинаковых условиях, для их вращения необходимы одинаковые усилия. В этом случае и коробка дифференциала, и полуосевые шестерни будут вращаться, как одно целое – с одной скоростью. Однако если теперь мы притормозим одно из колес, сателлиты начнут обкатываться вокруг заторможенной полуосевой шестерни, заставляя другую вращаться быстрее. А если одно из колес мы затормозим полностью, второе будет вращаться в два раза быстрее, чем коробка дифференциала. Но крутящий момент на обоих колесах в любом случае останется одинаковым, и соответствовать он будет моменту сопротивления на том колесе, где сопротивление вращению меньше. И вот как раз именно по этой причине в некоторых случаях мы предпочли бы обойтись без дифференциала.КАК ПОВЫСИТЬ ТРЕНИЕЧастичная блокировка происходит за счет трения в многодисковых муфтах: они увеличивают сопротивление относительному вращению полуосевых шестерен и коробки дифференциала.А что у «народного» внедорожника?ЦЕПНАЯ РЕАКЦИЯМежосевым дифференциалом Volkswagen Touareg управляет компьютер. Анализируя условия движения, он подает команды на электромеханический привод, сжимающий пакет фрикционных дисков муфты блокировки. Хорошо видна приводная цепь, передающая момент на передние колеса, – весьма характерное для современных внедорожников решение. Именно она чаще всего первой страдает у любителей покататься по шоссе с заблокированным межосевым дифференциалом.КОГДА ВИСЯТ КОЛЕСАБлокировки дифференциалов – главные помощники в преодолении бездорожья. Блокировкой заднего дифференциала VW Touareg управляет компьютер. Электромеханический привод сжимает пакет фрикционных дисков блокирующей муфты. Возможна и частичная блокировка с любой степенью, и полная.ТРЕБУЕТСЯ ПРОТИВОДЕЙСТВИЕПрактически любой из нас или наблюдал, или сам попадал в ситуацию, когда одно из колес автомобиля буксует в снегу или на льду, а второе, хоть и стоит на нормальной дороге, даже и не думает вращаться. Разберемся, почему это происходит. Когда одно из колес буксует, сопротивления его вращению нет практически никакого – момент сопротивления очень мал, близок к нулю. А значит, и крутящий момент, реализуемый на этом колесе, будет такой же маленький. В силу свойств межколесного дифференциала и на второе колесо, пусть даже стоящее на твердой дороге, будет подводиться такой же мизерный крутящий момент. И если его не хватит, чтобы сдвинуть автомобиль с места, он будет стоять. Можно сколько угодно нажимать педаль газа, не встречающий сопротивления двигатель будет наращивать обороты, буксующее колесо – вращаться все быстрее, а толку-то… Те же законы действуют, когда не в меру ретивый стритрейсер пытается быстрее всех уехать со светофора, но из-за пробуксовки одного из колес лишь отстает от соседей.Вот если бы в этот момент дифференциал можно было заблокировать, автомобиль благополучно тронулся бы с места и куда интенсивнее разгонялся, конечно, при условии, что активная полуось достаточно прочна и выдерживала передаваемый через нее крутящий момент. Таким образом, мы пришли к двум выводам. Вопервых, для тех автомобилей, которым предстоит попадать в сложные дорожные условия (или динамично разгоняться на скользких покрытиях), нужно предусматривать возможность блокировки дифференциалов. Во-вторых, нужно учитывать, что при заблокированном дифференциале на одну из полуосей может прийти весь крутящий момент двигателя, а потому устанавливать механизм блокировки можно лишь в том случае, если приводные валы имеют соответствующий запас прочности.НА ВСЕ КОЛЕСАЕще более важна возможность блокировки для полноприводного автомобиля. Ведь в повороте передние и задние колеса тоже проходят разное расстояние за одно и то же время. Нетрудно себе представить и ситуацию, когда на неровной дороге передние и задние колеса должны двигаться с разными скоростями просто вследствие того, что передние, например, переезжают кочку, в то время как задние движутся по ровной дороге. И если привод на все колеса сделать жестким, без дифференциалов… Не беда, если под колесами снег или мягкий грунт – благодаря проскальзыванию колес особых проблем не будет. Но на иной асфальтированной дороге могут быть сотни и тысячи неровностей, не говоря уж о поворотах. И тогда мы получим не только повышенный износ шин и ухудшение управляемости. Ведь при отсутствии дифференциала ведущие колеса, приводные валы и твердое покрытие дороги образуют замкнутый контур, причем не маленький – расстояние между передними и задними колесами довольно велико. И в этом замкнутом контуре начинается циркуляция паразитной мощности. Попросту говоря, одна из осей тратит часть мощности на сопротивление другой. Детали привода испытывают большие динамические нагрузки, быстрее изнашиваются, да к тому же растет расход топлива. Поэтому в полноприводных автомобилях одну из ведущих осей подключают, только когда это необходимо. Либо, уж если мы хотим получить действительно постоянный полный привод, мы устанавливаем не только межколесные раму на каждой ведущей оси, но еще и межосевые, распределяющие момент между ведущими осями.СВЯТАЯ ПРОСТОТАКонструкторы Audi не посмотрели на опыт коллег по концерну и обошлись без компьютерного управления. В раздаточной коробке Audi Q7 по традиции использован Torsen. Действительно, зачем кроссоверу металлоемкие внедорожные сложности?КАК ОНИ БЛОКИРУЮТСЯМНОГОДИСКОВЫЙ. Симметричные раму, имеющие в конструкции подпружиненные пакеты фрикционных дисков, которые при определенных значениях разницы скоростей блокируются. Используются в автоспорте, быстро изнашиваются, требуют восстановления рабочих характеристик после каждой гонки. ВИСКОМУФТА. Полностью герметичный агрегат с дисками, одна половина которых имеет жесткую связь с корпусом, другая – с валом. Все это на 80–90% заполнено силиконовой жидкостью высокой вязкости. Работает за счет вязкостного трения при росте разницы скоростей вала и корпуса. Узел неремонтируемый, т. к. количество и вязкость жидкости определяют характеристики вискомуфты. «КВАЙФ» (QUIFE). Червячные cателлиты расположены в два ряда параллельно оси вращения корпуса, но не на осях, а в закрытых с обеих сторон отверстиях корпуса. Правый ряд сателлитов входит в зацепление с правой шестерней полуоси, левый — с левой. Кроме того, сателлиты разных рядов зацепляются между собой через один. Когда одно из колес начинает отставать, связанная с ним полуосевая шестерня начинает вращаться медленнее корпуса дифференциала и поворачивать входящий с ней в зацепление сателлит. Он передает движение связанному с ним сателлиту, а тот, в свою очередь, на полуосевую шестерню. Этот тип распространен в тюнинге. Понятно, что в сложных условиях и межосевой дифференциал может нас подвести – опять же в силу своих свойств. Поэтому и для него предусматривают механизмы блокировки.ВРУЧНУЮ И АВТОМАТИЧЕСКИКонечно, самый простой вариант блокировки дифференциала – принудительная. В конструкции дифференциала предусматривается устройство, которое соединяет между собой полуоси, а чаще – одну из полуосей с коробкой дифференциала. Включает такую блокировку водитель – вручную, специальным рычагом, либо дистанционно, при помощи электро- или пневмопривода. Прекрасный вариант для тяжелого бездорожья, но не идеальный. Во-первых, требует от водителя определенной квалификации – он должен знать, когда уместно воспользоваться блокировкой, а когда – нет. Во-вторых, принудительная блокировка образует в дифференциале жесткую связь, не допуская вообще никакого проскальзывания, и если водитель забудет отключить ее при выезде на твердое покрытие (что случается нередко), все проблемы блокированного привода он получит в полной мере. Свидетельством тому – изрядное количество растянутых приводных цепей, исправно поставляемое в металлолом владельцами внедорожников. Так что вполне понятно желание конструкторов предложить устройства, которые срабатывали бы автоматически. А еще такие, которые блокировали бы дифференциал неполностью. Ведь зачастую нам достаточно передать на небуксующее колесо не такой уж и большой момент. И это можно сделать, например, создав в дифференциале сопротивление вращению полуосевых шестерен относительно водила сателлитов. Как правило, для этого применяют различные устройства, создающие повышенное трение, – пакеты фрикционных дисков, вязкостные муфты, червячные передачи. раму с такими устройствами у нас называют дифференциалами повышенного трения, а в западной литературе – LSD (Limited Slip Differential – дифференциал ограниченного проскальзывания). Большинство из них срабатывают сами по себе в силу особенностей конструкции.У всех подобных механических систем есть общий недостаток – их характеристики определяются конструктивными параметрами, а потому неизменны. Но современное развитие компьютерной техники позволяет решить и эту проблему – дифференциалами с электронным управлением оснащено уже немало автомобилей.Часто электроника позволяет обойтись вообще без блокировки дифференциала. Ведь если буксующее колесо притормозить рабочими тормозами автомобиля, на небуксующем колесе, в силу свойств дифференциала, возрастет крутящий момент. Подобной имитации блокировки бывает достаточно, чтобы выбраться из неприятной ситуации или улучшить динамику на скользкой дороге. Но, конечно, для длительного движения по бездорожью такая система непригодна – автомобиль попросту лишится рабочих тормозов по причине перегрева.

[Kowex]

Надо было в статьи выкладыватьhttp://www.club-forester.ru/index.php?autocom=ibwiki

[Лешник]

Как работает дифференциал

 

научно-познавательное видео :)