Выбираем блокировку дифференциала. Часть 1

Для начала, давайте вспомним для чего нужен и как устроен обычный дифференциал.

1 - полуось (приводной вал); 2 - ведомая шестерня главной пары; 3 - ведущая шестерня главной пары; 4 - шестерни полуосей (приводов); 5 - сателлиты.

Рис. 1. Дифференциал.

Итак, дифференциал служит для передачи крутящего момента от двигателя автомобиля к ведущим колёсам, его (момента) увеличения и для распределения потока мощности между ведущими колёсами.

Важнейшей функцией дифференциала также является возможность обеспечить разную скорость вращения правого и левого ведущего колеса автомобиля при прохождении поворотов.

Устройство простейшего дифференциала показано на рис.1: вращение от двигателя передается через ведущую шестерню главной пары к ведомой шестерне, которая жестко закреплена на корпусе дифференциала. Затем через установленные в корпусе шестерни-сателлиты вращение передается на полуосевые шестерни которые в свою очередь через приводные валы передают вращение колесам автомобиля.

Ключевым моментом в устройстве дифференциала является то, что установленные в корпусе дифференциала шестерни-сателлиты могут вращаться вокруг своей оси.

При движении автомобиля по прямой вращение от двигателя через главную пару шестерен передается на корпус дифференциала, который вращаясь предает крутящий момент ведущим колёсам через шестерни-сателлиты и полуосевые шестерни. При этом сателлиты в корпусе дифференциала не вращаются вокруг своей оси, потому что колёса автомобиля вращаются с одинаковой скоростью и проходят одинаковый путь.

Рис. 2. Траектории движения колес автомобиля в повороте.

При движении в повороте (рис. 2) внутреннее ведущее колесо движется по дуге меньшей длины, чем наружное соответственно для того чтобы проделать путь разной длины за одинаковое время ведущие колёса должны вращаться с разной скоростью. В этой ситуации увеличивается сопротивление вращению у внутреннего колеса и его привода, внутренняя полуосевая шестерня вращается медленнее наружней, заставляя сателлиты в корпусе дифференциала поворачиваться вокруг своей оси, позволяя приводам и колесам вращаться с разной скоростью.

При движении по покрытию с однородными сцепными свойствами дифференциал прекрасно справляется со своими основными функциями, однако, Представьте ситуацию, когда автомобиль с обычным, или, как принято его называть, свободным, дифференциалом движется прямо по асфальту и одно из его ведущих колёс попадает на участок дороги со слабыми сцепными свойствами (снег, лед, жидкая грязь, пятно масла, и тд.). В таком случае колесо с плохим сцеплением с дорогой начнет пробуксовывать, в то время как колесо, стоящее на асфальте и имеющее лучшее сцепление с дорогой, останется неподвижным. Вся мощность от двигателя через дифференциал будет передаваться на буксующее колесо и автомобиль потеряет ход и не сможет продолжить движение. Похожая ситуация возникает при «агрессивном» прохождении поворотов, когда внутренне повороту колесо имеет худшее сцепление с покрытием, чем внешнее и начинает пробуксовывать. В результате значительная часть мощности двигателя тратится на пробуксовку одного из ведущих колес, а скорость прохождения поворота падает.

Один из способов решения описанных проблем – ограничение относительной свободы вращения между приводами правого и левого ведущих колёс. Для этого и служат Дифференциалы Повышенного Трения (далее ДПТ). Ниже мы рассмотрим дифференциал повышенного трения винтового типа.

Рис.3. Блокировка дифференциала ВАЗ 2108, винтовая.

Одним из наиболее распространенных типов ДПТ является винтовой (червячный) дифференциал повышенного трения.

Существует несколько разновидностей таких дифференциалов, рассмотрим подробнее дифференциал системы Quaife, названный так по имени его изобретателя, английского инженера Rod Quaife.

Рис. 4. Силы действующие в винтовом дифференциале.

На рисунке 4 показано внутреннее устройство такого дифференциала. Сердцем конструкции являются шестерни сателлиты. Они расположены в посадочных местах корпуса дифференциала. Всего в простейшем винтовом дифференциале сателлитов шесть штук. Они находятся в постоянном зацеплении с полуосевыми шестернями, также сателлиты левой стороны попарно зацеплены с сателлитами правой стороны. Все шестерни в дифференциале имеют спиральные или винтовые зубья, отсюда и название такого типа дифференциала.

Давайте подробнее рассмотрим, как он работает. В условиях, когда оба ведущих колеса автомобиля имеют одинаковое сцепление с дорожным покрытием винтовой дифференциал, работает как обычный, свободный. Главная пара вращает корпус дифференциала, сателлиты и полуосевые шестерни при этом неподвижны относительно корпуса дифференциала и друг друга, крутящий момент равномерно распределяется между ведущими колёсами.

Теперь, рассмотрим пример, когда сцепление правого ведущего колеса автомобиля с покрытием ухудшается и оно начинает пробуксовывать, в такой ситуации сопротивление вращению левого колеса относительно правого увеличивается (для того чтобы провернуть его нужен больший крутящий момент) и левая полуосевая  шестерня начинает вращаться относительно корпуса дифференциала против часовой стрелки (направление вращения показано зелеными стрелками на рис.), передавая вращение на находящиеся с ней в зацеплении сателлиты левой стороны, которые вращаются по часовой стрелке, а сателлиты правой стороны против часовой и соответственно правая полуосевая шестерня вращается относительно левой по часовой стрелке. При этом в зубчатых парах возникают силы, стремящиеся раздвинуть шестерни (направления сил показаны красными стрелками на рисунке). Сателлиты как мы помним установлены в гнёздах корпуса дифференциала, под воздействием возникающих в зубчатых парах сил сателлиты прижимаются торцами и вершинами зубьев к стенкам посадочных гнезд в корпусе дифференциала. Возникающее при этом трение затрудняет вращение сателлитов, а соответственно и левой полуосевой шестерни относительно корпуса дифференциала чем и достигается эффект частичной блокировки дифференциала.

Силы, возникающие в зубчатых соединениях и стремящиеся прижать сателлиты к их посадочным местам при этом напрямую зависят от величины крутящего момента, проходящего в настоящее время через дифференциал и от разницы в сопротивлении вращению между ведущими колёсами.  Другими словами, как только крутящий момент, необходимый для вращения одного колеса становится меньше (колесо буксует), чем момент нужный для вращения другого винтовой дифференциал автоматически перераспределяет его в пользу колеса с лучшим сцеплением. Перераспределение момента происходит плавно и на колесо с лучшим сцеплением при этом передается ровно столько момента, сколько необходимо для того чтоб оно начало вращаться.

Максимальный коэффициент блокировки винтового дифференциала зависит от профиля зубьев сателлитов и количества сателлитов в дифференциале (чем больше количество сателлитов, тем большей будет суммарная площадь пятна контакта их с корпусом дифференциала) и как правило находится в пределах 3-5. Тут необходимо пояснить, что же такое коэффициент блокировки дифференциала.              

Коэффициент блокировки - это отношение крутящего момента на отстающем (с лучшим сцеплением с покрытием) колесе, к моменту на колесе, забегающем (пробуксовывающем).

Значение коэффициента К=5, к примеру, означает что дифференциал способен направить в пять раз больший момент к тому ведущему колесу, которое имеет лучшее сцепление с дорогой в данный момент.

В случаях, когда разница крутящих моментов между ведущими колесами отсутствует, но ведущие колёса вращаются с разной скоростью к примеру, в повороте червячный дифференциал повышенного трения ведет себя также, как и обычный, «открытый» дифференциал. Таким образом работа винтового дифференциала практически не влияет на управляемость автомобиля при прохождении поворотов.  

В отличие от других типов ДПТ винтовой дифференциал не имеет в своей конструкции быстроизнашивающихся частей, таких как фрикционы и не требует использования специальных масел в эксплуатации.

У винтового дифференциала и есть один недостаток. В случае, когда момент, необходимый для вращения буксующего колеса равен нулю, например, при диагональном вывешивании дифференциалу становится нечего перераспределять и колесо просто буксует. В современных винтовых ДПТ от этого недостатка удалось частично избавиться, введя в конструкцию пакет распорных тарельчатых шайб установленных между шестернями полуосей.

Рис.5. Пакет тарельчатых шайб.

Создаваемое шайбами усилие прижимает шестерни полуосей к корпусу дифференциала, не давая им совсем уж свободно проворачиваться в корпусе, благодаря этому даже если одно из ведущих колёс висит в воздухе для поворота шестерни привода этого колеса относительно корпуса дифференциала требуется некоторый момент. Соответственно, дифференциал частично заблокируется и передаст на другое ведущее колесо момент от двигателя. Развиваемое шайбами распорное усилие называется «преднатягом» самоблокирующегося дифференциала. Тарельчатые шайбы по сути единственная подверженная износу и требующая периодической замены деталь винтовой «блокировки», при их износе усилие преднатяга снижается и со временем при диагональном вывешивании он начнет вести себя как обычный открытый дифференциал, если одно из ведущих колёс повиснет в воздухе. Впрочем, во всех остальных случаях винтовой дифференциал продолжит выполнять свои функции.

Подытожим все выше сказанное:

Винтовой дифференциал дает следующие преимущества:

1. Увеличение проходимости автомобиля на покрытиях с различным уровнем сцепления.
2. Дифференциал не требует специальных смазочных материалов
3. Не требуется периодическое обслуживание дифференциала
4. Не теряется комфорт и простота управления автомобиля

Недостатки:

Этот дифференциал не поможет Вам, если одно из ведущих колес вывешено. Однако, этот недостаток может устранен, если использовать дифференциал с преднатягом.

Рекомендуем такой тип дифференциала для гражданских автомобилей. Для тех, кто увлекается туризмом и автомобильными видами спорта рекомендуем обратить внимание на винтовые дифференциалы с преднатягом.