Что такое дифференциал и для чего нужны блокировки.
Дифференциал — это механическое устройство, которое передает крутящий момент с одного источника на два независимых потребителя таким образом, что угловые скорости вращения источника и обоих потребителей могут быть разными относительно друг друга. Такая передача момента возможна благодаря применению так называемого планетарного механизма. В автомобилестроении, дифференциал является одной из ключевых деталей трансмиссии. В первую очередь он служит для передачи момента от коробки передач к колёсам ведущего моста.
Однако, ввиду физики устройства, у планетарного механизма есть очень нехорошее свойство: он стремится передать полученный крутящий момент туда, куда легче. Например, если оба колеса моста имеют одинаковое сцепление с дорогой и усилие, необходимое для раскручивания каждого из колёс одинаковое, дифференциал будет распределять крутящий момент равномерно между колёсами. Но стоит только появится ощутимой разнице в сцеплении колёс с дорогой (например, одно колесо попало на лёд, а другое осталось на асфальте), как дифференциал тут же начнёт перераспределять момент на то колесо, усилие для раскрутки которого наименьшее (то есть на то, которое находится на льду). В результате, колесо, находящееся на асфальте перестанет получать крутящий момент и остановится, а колесо, находящееся на льду примет на себя весь момент и будет вращаться с увеличенной угловой скоростью, причем планетарный механизм будет играть роль редуктора, повышающего скорость вращения этого колеса. Естественно, это явление сильно ухудшает проходимость и управляемость автомобиля. Ведь по логике вещей, в рассмотренной ситуации момент желательно передавать на колесо, расположенное на асфальте, чтобы автомобиль мог продолжить движение.
В полноприводных автомобилях дифференциалом обычно оборудованы два моста, а зачастую дифференциал можно обнаружить еще и между мостами (межосевой дифференциал). Таким образом, мы получаем схему трансмиссии, в которой присутствуют целых три дифференциала: два мостовых и один межосевой. Последний необходим для постоянного движения с полным приводом и передачей момента на все четыре колеса. Ведь в повороте колёса рулевого моста (обычно переднего) имеют совсем другие угловые скорости, нежели чем колёса заднего моста. Межосевой дифференциал призван передавать крутящий момент от коробки передач к обоим ведущим мостам с разным соотношением угловых скоростей. Такая схема с тремя дифференциалами является одной из самых распространённых схем для постоянного полного привода (Full time 4WD).
Основной целью блокировки дифференциала является передача необходимого крутящего момента обоим его потребителям (полуосям или карданам). Существуют принципиально разные методы решения данной задачи.
При таком типе блокировки, дифференциал фактически перестаёт выполнять свои функции и превращается в простую муфту, жестко связывающую полуоси (или карданы) между собой и передающую им одинаковый крутящий момент с одинаковой угловой скоростью. Для того, чтобы полностью заблокировать классический дифференциал, достаточно либо заблокировать возможность вращения сателлитов, либо жестко соединить между собой чашку дифференциала с одной из полуосей. Такая блокировка как правило реализована при помощи пневматического, электрического или гидравлического привода, управляемого водителем из салона автомобиля. Применяется как для мостовых, так и для межосевых дифференциалов. На картинке изображена схема блокировки компании ARB для мостового дифференциала, в которой блокируются сателлиты.
Включать подобного рода блокировки можно только при полностью остановленном автомобиле. Пользоваться ими надо крайне аккуратно, так как усилия мотора вполне достаточно чтобы «сорвать» механизм блокировки или поломать полуось. Применять такие блокировки желательно только на небольших скоростях для передвижения по труднопроходимой местности, так как при их применении в мостах (особенно в рулевых), автомобиль очень сильно теряет в управляемости. Как правило, жесткими блокировками мостовых и межосевых дифференциалов оборудуются полноценные рамные внедорожники, такие как Toyota Land Cruiser, 4Runner (Hilux Surf), Mercedes G-Class и. т. п.
Limited Slip Differentials — дифференциалы с ограниченным «проскальзыванием» (одной полуоси относительно другой).
В этом случае применяется блокировка одной из полуосей с чашкой дифференциала. Вискомуфта монтируется соосно полуоси таким образом, что один её привод жестко крепится к чашке дифференциала, а другой — к полуоси. При нормальном движении угловые скорости вращения чашки и полуоси одинаковые, либо незначительно отличаются (в повороте). Соответственно, рабочие плоскости вискомуфты имеют такое же небольшое расхождение в угловых скоростях и муфта остаётся разомкнутой. Как только одна из осей начинает получать ощутимо больший момент и более высокую угловую скорость вращения относительно другой, в вискомуфте появляется трение и она начинает блокироваться. Причем, чем больше разница в скоростях, тем сильнее трение внутри вискомуфты и степень её блокировки. По мере увеличения степени блокировки вискомуфты и выравнивания угловых скоростей чашки и полуоси, трение внутри вискомуфты начинает падать, что ведёт к плавному размыканию вискомуфты и отключению блокировки. Данная схема применяется для межосевых дифференциалов, так как её конструкция слишком массивна для установки на мостовой редуктор. (Схема на картинке) Подобный механизм блокировки хорошо подходит для эксплуатации в условиях плохого дорожного покрытия, однако, в условиях настоящего бездорожья его способности далеко не выдающиеся: вискомуфта не справляется с постоянными сменами состояний сцепления мостов с грунтом, запаздывает при включении, перегревается и выходит из строя. Данный тип блокировки межосевого дифференциала можно встретить на «паркетных» внедорожниках: Toyota Rav4, Lexus RX300 и. т. п.
Принцип работы этих блокировок достаточно прост. Вместо классического шестеренчатого планетарного механизма используются кулачковые или зубчатые пары, которые при небольшой разнице в угловых скоростях полуосей имеют возможность взаимно проворачиваться (перескакивать), а при пробуксовке заклиниваются и блокируют полуоси друг с другом. Нетрудно себе представить, что происходит с автомобилем при срабатывании такой блокировки в повороте.
Некоторые экземпляры просто отключают одну из полуосей в момент возникновения небольшой разницы скоростей. Именно поэтому, штатно такими блокировками оборудуются только дифференциалы военной и специальной техники (БТР и. т. п.)
Устройство таких дифференциалов довольно простое и принципиально ни чем не отличается от устройства обычного открытого дифференциала. Между полуосями и чашкой дифференциала добавлены комплекты блоков фрикционных пластин (которые помечены на картинке справа красными точками). Именно поэтому, подобные дифференциалы часто именуют «friction based LSD». Когда дифференциал пытается перераспределить крутящий момент на одну из полуосей и начинает возникать разница в угловых скоростях полуосей и чашки, пластины под действием силы трения сдерживают возникновение этой разницы. Разумеется, когда величина крутящего момента превосходит силу трения пластин, всё вращение передаётся на более легко вращаемую полуось. Такие блокировки работают в сравнительно небольшом диапазоне отношения моментов.
Довольно часто фрикционные блоки подпружинивают. Такие дифференциалы штатно устанавливаются в задний мост многих внедорожников — Toyota 4Runner (Hilux Surf), Nissan Terrano, Kia Sportage и. т. п. Американская компания ASHA Corp. пошла дальше, снабдив пакет фрикционов LSD дифференциала устройством блокировки, состоящего из насоса с поршнем (Героторный дифференциал). При возникновении разности в угловых скоростях полуоси и чашки насос нагнетает масло (жидкость) на поршень и сдавливает фрикционный блок, тем самым блокируя дифференциал. Данная конструкция получила название Gerodisk (Hydra-Lock) и штатно устанавливается на внедорожники Chrysler (на картинке слева). Практически для всех friction based дифференциалов необходимо применять специальное масло, которое содержит присадки, обеспечивающие нормальную работу фрикционных блоков.
Это одна из самых интересных, эффективных, технологичных и практически применяемых форм блокировки дифференциалов. Принцип работы основан на свойстве гипоидной пары «расклиниваться». В связи с этим, основные (или все) зацепления в таких дифференциалах гипоидные (червячные, или в простонародье — винтовые). Разновидностей конструкций не так уж и много — можно выделить три основных типа.
Первый тип производит компания Zexel Torsen. (T-1) Гипоидными парами являются шестерни ведущих полуосей и сателлиты. При этом каждая полуось имеет собственные сателлиты, которые парно связанны с сателлитами противоположной полуоси обычным прямозубым зацеплением. Следует отметить, что ось сателлита перпендикулярна полуоси. При нормальном движении и равенстве передаваемых на полуоси моментов, гипоидные пары «сателлит / ведущая шестерня» либо остановлены, либо проворачиваются, обеспечивая разницу угловых скоростей полуосей в повороте.
Как только дифференциал пытается отдать момент на одну из полуосей, то гипоидную пару этой полуоси начинает расклинивать и блокировать с чашкой дифференциала, что приводит к частичной блокировке дифференциала. Данная конструкция работает в самом большом диапазоне отношений крутящего момента — от 2.5/1 до 5.0/1, то есть является самой мощной в серии. Диапазон срабатывания регулируется углом наклона зубцов червяка.
Автором второго типа является англичанин Rod Quaife. В данном случае, оси сателлитов параллельны полуосям. Сателлиты расположены в своеобразных карманах чашки дифференциала. При этом парные сателлиты имеют не прямозубое зацепление, а образуют между собой еще одну гипоидную пару, которая расклиниваясь, так же участвует в процессе блокировки (на второй картинке). Подобное устройство имеет и дифференциал True Trac компании Tractech. Даже у нас в России появилось производство аналогичных дифференциалов под отечественные автомобили УАЗ и. т. д.
А вот компания Zexel Torsen в своём дифференциале T-2 предложила немного другую компоновку по сути, того же устройства (на картинке справа). Благодаря своей необычной конструкции, парные сателлиты соединены между собой со внешней стороны солнечных шестерней. По сравнению с первым типом, эти дифференциалы имеют меньший диапазон работы блокировки, однако они более чувствительны к разнице передаваемого момента и срабатывают раньше (начиная от 1.4/1). Компания Tractech недавно выпустила мостовой torque sensitive дифференциал Electrac, снабженный принудительной электроприводной блокировкой.
Третий тип производится компанией Zexel Torsen (Т-3) и используется в основном для межосевых дифференциалов. Планетарная структура конструкции позволяет сместить номинальное распределение момента в пользу одной из осей. Например, используемый на 4Раннере 4-го поколения дифференциал Т-3 имеет номинальное распределение момента 40/60 в пользу задней оси. Соответственно, смещен и весь диапазон работы частичной блокировки: от (front/rear) 53/47 до 29/71.
В целом, смещение номинального распределения момента между осями возможно в диапазоне от 65/35 до 35/65. Срабатывание частичной блокировки происходит при 20-30% разнице в передаваемых на оси моментах. Так же, подобная структура дифференциала делает его компактным, что в свою очередь, упрощает конструкцию и улучшает компоновку раздаточной коробки.
Вышеописанные torque sensitive дифференциалы очень популярны в автоспорте. Более того, многие производители устанавливают такие дифференциалы на свои модели штатно, как в качестве межосевых, так и межколёсных дифференциалов. Например, Тойота устанавливает такие дифференциалы как на легковые автомобили (Supra, Celica, Rav4, Lexus IS300, RX300 и. т. д), так и на внедорожники (4Runner / Hilux Surf, Land-Cruiser, Mega-Cruiser, Lexus GX470) и автобусы (Coaster Mini-Bus). Данные дифференциалы не требуют применения специальных присадок к маслу (в отличии от friction-based дифференциалов), однако лучше использовать качественное масло для нагруженных гипоидных передач.
Управление работой дифференциалов при помощи электронных систем контроля тормозных усилий (Traction Control и т. п.)
В современном автомобилестроении применяется всё больше и больше электронных систем контроля за движением автомобиля. Уже редко можно встретить автомобили, не оснащенные системой ABS (не дающей колёсам заблокироваться при торможении). Более того, уже с конца 80-х годов прошлого века передовые производители стали комплектовать свои флагманские модели системами контроля тяги и сцепления колёс — Traction Control. Например, Тойота установила систему Traction Control на Lexus LS400 в 1989 (90) году. Принцип работы такой системы прост: универсальные (так же обслуживают ABS) датчики вращения, установленные на контролируемых колёсах, фиксируют начало пробуксовки одного колеса оси относительно другого и система автоматически притормаживает забуксовавшее колесо, тем самым увеличивая на него нагрузку и вынуждая дифференциал отдать момент на колесо с хорошим сцеплением. При сильной пробуксовке, система так же может ограничивать подачу топлива в цилиндры. Работа такой системы очень эффективна, особенно на заднеприводных автомобилях. Как правило, при желании такую систему можно принудительно деактивировать кнопкой на приборной панели.
Полный привод Toyota. C.Diff Lock
Многие владельцы сталкиваются с проблемой, в каком положении должна быть кнопка C.DIFF LOCK…
На кнопке написано C.DIFF LOCK. Значит на вашем автомобиле установлен самый ранний тип системы FullTime 4WD — настоящий постоянный полный привод с принудительной жесткой блокировкой межосевого дифференциала. При нажатии кнопки «C.DIFF LOCK» электропневмоклапан блокирует дифференциал, о чем свидетельствует зажигание диодного индикатора.
Следует помнить, что при включенном режиме «C.DIFF LOCK», разрешено двигаться не более 1 часа и не быстрее 60 км/ч. Также нельзя включать блокировку во время букировки.
Постоянный полный привод с принудительной механической блокировкой межосевого дифференциала использовался на моделях с механической коробкой передач в период 1987-2001 гг.: Corolla/Sprinter 90.100.110, Corona/Carina 170, Vista/Camry 20, RAV4 10.
Если одно из колес автомобиля (или оба колеса одной оси) начинает буксовать, водитель может включить принудительную блокировку межосевого дифференциала, передавая мощность на колеса, имеющие сцепление с поверхностью.
(1) Выключатель блокировки — выключен. Электропневмоклапаны 1 и 2 — выключены. Клапан 1 перепускает разрежение из вакуумного резервуара в камеру A, клапан 2 перепускает атмосферный воздух в камеру B. Диафрагма вакуумного привода перемещается в сторону камеры A, сдвигая вправо соединенные с нею шток, вал, вилку переключения и втулку блокировки. Втулка выходит из зацепления с корпусом, межосевой дифференциал работает свободно, компенсируя разницу в частоте вращения передних и задних колес. Индикатор блокировки не горит.
Выключатель блокировки — включен. Электропневмоклапаны 1 и 2 — включены. Клапан 1 перепускает атмосферный воздух в камеру A, клапан 2 перепускает разрежение из ресивера в камеру B. Диафрагма вакуумного привода перемещается в сторону камеры В, сдвигая шток, вал, вилку и втулку блокировки влево. Втулка входит в зацепление с корпусом, корпус межосевого дифференциала и превая ведомая шестерня блокируются друг с другом. Сателлиты межосевого дифференциала, левая и правая ведомые шестерни вращаются как единое целое с корпусом. Крутящий момент равномерно распределяется на передний и задний дифференциалы. Индикатор блокировки горит.
Если при включении шлицы втулки не совмещены со шлицами на корпусе дифференциала, то блокировки не происходит, концевой выключатель не срабатывает и индикатор не загорается — необходимо слегка продвинуть автомобиль вперед.
/выдержка из инструкции по эксплуатации (RAV4)/
Система блокировки межосевого дифференциала (полноприводные модели с МКПП)
Система блокировки межосевого дифференциала предназначена для использования только в том случае, если у автомобиля недостаточно тягового усилия для выхода из следующих ситуаций.
• Оба передних или оба задних колеса не касаются земли или находятся на скользкой поверхности.
• Одно из четырех колес не касается земли или находится на скользкой поверхности.
Меры предосторожности при эксплуатации
• Если передние и задние шины изношены неравномерно, межосевой дифференциал может блокироваться или разблокироваться не плавно.
• Перед блокировкой межосевого дифференциала убедитесь, что колеса перестали буксовать.
• Разблокируйте межосевой дифференциал сразу после того, как закончите использовать возможности системы блокировки. Во время разблокировки будет звучать зуммер.
• После того, как вы нажали переключатель блокировки межосевого дифференциала, чтобы заблокировать его, и переместили автомобиль на небольшое расстояние, индикатор на приборной панели должен гореть. Если индикатор не загорается или не гаснет, обратитесь на сервис для проверки электрической системы и механизма блокировки.
При нормальном вождении межосевой дифференциал должен быть разблокирован. Блокировка межосевого дифференциала затрудняет управление в поворотах.
Не ездите по сухой поверхности с твердым покрытием с заблокированным межосевым дифференциалом. Это может привести к повреждению механизма блокировки и трансмиссии.
Чтобы заблокировать межосевой дифференциал:
1. Нажмите педаль тормоза и остановите пробуксовку колеса.
2. Установите передние колеса в направлении прямолинейного движения.
3. Нажмите выключатель блокировки межосевого дифференциала и убедитесь, что на приборной панели загорелся индикатор.
Чтобы разблокировать межосевой дифференциал:
1. Установите передние колеса в направлении прямолинейного движения.
2. Еще раз нажмите выключатель блокировки межосевого дифференциала и убедитесь, что индикатор на приборной панели погас и зуммер, который звучит во время разблокировки, перестал звучать. Иногда полная разблокировка межосевого дифференциала может занять больше времени.
Если разблокировка межосевого дифференциала не завершена, убедитесь в безопасности маневра, затем увеличьте или уменьшите скорость или двигайтесь задним ходом.
Внимание. Пока звучит зуммер, не совершайте поворотов и не ставьте автомобиль в гараж. Это может привести к повреждению механизма блокировки и трансмиссии.
Блокировку нельзя активировать непосредственно при пробуксовке …
Виды блокировок дифференциала. Классификация.
Блокировок дифференциала для внедорожников существует и выпускается огромное множество, далее будут рассмотрены только межколесные блокировки, т.е. которые используются для распределения момента между колесами на одной оси и устанавливаются в редуктор вместо штатного дифференциала, либо внутрь этого дифференциала.
Статья постепенно будет обновляться, ваши комментарии и замечания крайне приветствуются, чуть позже добавлю поясняющих картинок для каждого типа блокировок.
Разделить их можно на 2 существенных вида:
1. Принудительные (или отключаемые) — водитель из салона с помощью кнопки или рычага может их включить/выключить при необходимости, все принудительные блокировки 100%, т.е. при включении блокировки колеса на одной оси всегда будут крутиться с одной скоростью.
Они в свою очередь разделяются по способу включения:
1a. Пневматические (воздушные или с пневматическим механизмом включения) — для включения необходимо наличие компрессора в системе, к мосту идет силиконовая трубка для подачи воздуха.
Самые распространенные, так как считаются самыми надежными и ремонтопригодными на сегодняшний момент. Включение происходит внутри дифференциала воздухом под давлением,
Пневматические блокировки TJM Pro Locker, ARB Air Locker, HF Air Locker, Yukon ZIP Locker, Ashcroft выпускаются для большинства внедорожников Toyota, Nissan, Suzuki, Isuzu, Mitsubishi, Land Rover, Jeep, Ford, GMC, Dodge, Chevrolet, Chrysler и других.
1б. Механические (тросиковые или с механическим приводом включения) — для включения необходимо установить в салоне рычаг, который тросиком двигает вилку внутри редуктора, замыкающую блокировку.
Механические блокировки OX USA Locker выпускаются только для редукторов Dana и GM. Штатные механические блокировки были на Toyota Land Cruiser 60.
1в. Электро-магнитные (с электро-магнитным механизмом включения) — для включения достаточно подачи 12 В на электро-магнитную муфту установленную на дифференциале.
Электро-магнитные блокировки Eaton E-Locker и Auburn gear ECTED Max выпускаются только для редукторов Dana, GM, Ford, а HF E-Locker и Harrop ELocker также для Toyota, Nissan, Mitsubishi и др.
1г. Электрические (штатные или включение с помощью электро-моторчика) — для включения необходим контроллер управления блокировкой
Электрические блокировки с мотором-актуатором ставились на некоторые модели внедорожников Toyota Land Cruiser 70/80/100/105, Prado 78/95/120, Hilux, Tacoma, FJ Cruiser и др.
1д. Вакуумные (с вакуумным приводом включения) — для включения необходим вакуумный насос(он есть на большинстве внедорожников) и воздушная магистраль с «лягушкой», которая толкает шток и вилку включения блокировки.
Вакуумные блокировки штатно ставились на Nissan Safari/Patrol, Mitsubishi Pajero, Volvo C303 Laplander и др.
1е. Гидравлические (с гидравлическим приводом включения) — для включения на мост устанавливается привод аналогичный главному тормозному цилиндру, который толкает шток и вилку включения блокировки.
Блокировки с гидравлическим приводом включения выпускаются НИРФИ для мостов УАЗ.
2. Автоматические (самоблокирующиеся, саморазблокирующиеся) — ставятся внутрь редуктора моста вместо штатного дифференциала или внутрь дифференциала вместо сателлитов и сайдгиров. Работают самостоятельно в соответствии с задуманной логикой, не имеют возможности отключения, при установке в передний мост рекомендуется ставить только при наличии муфт свободного хода(механических хабов).
2а. Автоматические саморазблокировки — 100% блокируемый дифференциал, при разной скорости вращения колес одной оси имеет возможность разблокировки, если крутящий момент на кардане не превышает момента на колесе.
Автоматические саморазблокировки Lockright, Powertrax No-Slip, Lokka, Spartan Locker, Aussie Locker, Nitro Lunch Box Locker выпускаются в виде шестерней, заменяющих сателлиты и сайдгиры в шатных дифференциалах.
Более продвинутые саморазблокировки Eaton Detroit Locker, Yukon Grizzly Locker, Kaiser Locker выпускаются уже в виде готового дифференциала, который ставится вместо штатного дифференциала.
2б. Червячные самоблокирующиеся дифференциалы (винтовые) — в дифференциале установлен набор винтовых шестерней, обеспечивающих червячную передачу между корпусом дифференциала и сайдгирами полуосей и таким образом распределяющего момент между полуосями за счет трения в этих шестернях.
Червячные самоблокирующиеся дифференциалы можно разделить на 2 вида Torsen тип T-1 с червячными шестернями перпендикулярными полуосям и тип T-2с червячными шестернями параллельными полуосям, сейчас большинство червячных блокировок для внедорожников типа T-2.
Явные лидеры тут Eaton Detroit Truetrac (заявленный коэффициент блокирования до 80%), Quaife, Torsen и российские Вал-рэйсинг.
2в. Шариковые самоблокирующиеся дифференциалы — в дифференциале имеется набор канавок по которым свободно перемещаются цепочки шариков, обеспечивающие перераспределение момента между корпусом дифференциала и сайдгирами полуосей аналогично червячным блокировкам, производитель гарантирует возможность блокирования до 100%.
Блокировки такого типа выпускаются только в России под брендами ДАК(заявленный коэффициент блокирования до 100%) и ДАН.
2г. LSD (дифференциалы повышенного трения) и дисковые самоблокирующиеся дифференциалы — в дифференциале установлен один или два пакета фрикционов, при разной скорости вращения полуосей пакеты фрикционов за счет трения перераспределяют момент на менее нагруженное колесо.
LSD дифференциалы достаточно часто ставились на японских внедорожниках и кроссоверах на заводе, заявленный коэффициент блокирования обычно не более 30%. Срок службы LSD дифференциалов ограничен и требует обязательного применение специального трансмиссионного масла, обычное «убивает» пакеты фрикционов.
Дифференциалы повышенного трения выпускаются фирмами Eaton Posi LSD, Auburn Gear LSD, Yukon Dura Grip и многими другими для большинства внедорожников.
2д. Кулачковые (БТРвские) блокировки — по сути дифференциал повышенного трения для УАЗ доставшийся в наследство от БТР.
2е. Вязкостная муфта (вискомуфта) — в качестве межколесной блокировки практически не применяется из-за своей инерционности и громоздкости.
Не забывайте лить правильное трансмиссионное масло в соответствии с рекомендациями производителя!
Не забывайте про обкатку и своевременную замену масла — многие производители заявляют что обкатка для их блокировок уже выполнена на заводе и дополнительная не требуется.
Но, при сборке редуктора в нем могли остаться какие-нить посторонние частицы(стружка, пыль, смазка), которые постепенно вымоются, смоется заводское консервационное покрытие от ржавчины, в любом случае сателлиты и сайдгиры будут нарабатывать зеркало и железная пыль будет попадать в масло. Поэтому крайне желательно первые 100 км после установки блокировки сильно не нагружать трансмиссию, а к примеру через 1000 км сменить трансмиссионное масло.