Путешествие в мир самоблокирующихся дифференциалов.

Глава I. Первые дифференциалы.

Несмотря на то, что первые планетарные механизмы использовались еще древними римлянами, изобретение первых дифференциалов история почему-то приписывает Джемсу Старлею и Анри Пекеру, которые в 1877 г. практически одновременно сконструировали данные мкеханизмы, нашедшие широкое применение в трехколесных и двухместных велосипедах.
А вот первые автомобили великолепно обходились без дифференциалов и имели цельную неразрезную ведущую ось. Скорости движения в то время были невелики, вес машин небольшой, в результате сила сцепления ведущих колес с дорогой была незначительной по величине и неизбежная разность в скоростях движения колес, возникающая при поворотах и переезде неровностей, компенсировалась их проскальзыванием. Одним словом, вначале отсутствие дифференциала никого особо не беспокоило, люди ездили и радовались жизни.
Необходимо заметить, что первый легковой автомобиль, самостоятельно разработанный в СССР НАМИ-I, выпускаемый с 1927 по 1930 г (всего было построено 369 машин), также не имел межколесного дифференциала, что пошло машине только на пользу. Дело в том, что дороги в то время в нашей стране были, мягко говоря, не очень (правильнее сказать их почти не было), поэтому данное конструктивное решение, при котором оба колеса имели жесткую связь между собой, обеспечивало легкой машине весом 450 кг отличную проходимость. Применение больших колес совместно с хребтовой трубчатой рамой при дорожном просвете 240 мм и отсутствии свесов, превращало НАМИ-I в настоящий прочный заднеприводный вездеход. Одну из этих машин жители Иркутска регулярно встречали на улицах аж в 1969 г.

НАМИ-I

По мере развития автомобиля скорости движения возрастали, их конструкции совершенствовались, быстро увеличивался вес машин, и наконец наступил тот прекрасный день, когда конструкторы поняли, что ведущие колеса надо развязать между собой, чтобы в повороте они могли вращаться с различной скоростью без пробуксовки и ухудшения устойчивости и управляемости. Тут и пришла идея поставить в ведущую ось машины дифференциал.
Но на следующий день после установки в автомобиль первого дифференциала, конструкторы принялись ломать голову над созданием устройства, с помощью которого новоявленный дифференциал можно быстро заблокировать.
Дело в том, что дифференциал представляет собой трехзвенный планетарный механизм, распределяющий крутящий момент между выходными валами (полуосями) в определенной конструктивно заданной пропорции, позволяя при этом валам вращаться с различной угловой скоростью.

В межколесных дифференциалах крутящий (вращающий) момент от корпуса 1, связанного с ведомой шестерней главной передачи 5, передается через крестовину 3 (ось) шестерням-сателлитам 4, от них распределяется на две полуосевые шестерни 2, а от шестерней на полуоси 8. Поскольку сателлит представляет собой равноплечий элемент, на полуосевые шестерни могут передаваться только равные усилия, следовательно равные крутящие моменты (трением в элементах механизма пренебрегаем).
Таким образом, при повороте машины полуосевые шестерни вращаются с различными числами оборотов, но при этом сателлиты, вращаясь вокруг своих осей, передают каждой шестерне равные крутящие моменты.
Оказалось, что это очень полезное для устойчивости и управляемости свойство дифференциала существенно ухудшает проходимость. Дело в том, что пропорция распределения крутящего момента обычным дифференциалом (названным конструкторами «малого трения») задается колесом, имеющим худшее сцепление с дорогой. И если при движении или остановке автомобиля одно из колес попадает на лед, дифференциал может приложить к полуоси, связанной с этим колесом, небольшой по величине крутящий момент (из-за низкой силы сцепления колеса). А поскольку в конструкции дифференциала заложен принцип равного распределения момента между выходными валами, он, «ориентируясь» на колесо с меньшей силой сцепления, распределяет почти такой же по величине крутящий момент к полуоси колеса, имеющего большую по величине силу сцепления. В результате этого крутящего момента, распределяемого дифференциалом к колесу, находящемуся на льду, вполне хватает, чтобы вызвать его буксование, а такого же по величине крутящего момента, распределяемого к колесу, находящемуся на твердом грунте, недостаточно, чтобы сорвать это колесо в пробуксовку. В итоге наблюдается неприглядная картина: машина стоит на месте и не может уехать по своим неотложным машинным делам, одно из колес буксует, а другое неподвижно, но при этом дифференциал по-честному распределяет крутящий момент между колесами поровну (почти).
Конструкторы быстро сообразили, как исправить данный недостаток дифференциала и организовали возможность его принудительного отключения (блокировки) путем жесткого механического соединения полуосей с помощью пальцевых, кулачковых или шлицевых муфт. Муфта в обход дифференциала соединяла полуоси в одну ось и после этого каждое колесо, вращаясь с равной угловой скоростью, могло полностью использовать для движения автомобиля силу своего сцепления с дорогой. Пальцевые муфты в конструкциях как-то не прижились, а вот кулачковые и зубчатые используются и по сей день.
1 - разъемный корпус дифференциала; 2 - сателлиты; 3 - крестовина; 4 - полуосевые шестерни; 5 - пальцевая муфта.

Привод муфт был организован с помощью тяг, в результате из пола автомобиля «вырос» дополнительный рычаг блокировки дифференциала.
Но по мере развития мирового автопрома, повлекшее широкое распространение автмобиля в массы, такое техническое решение выявило определенные недостатки. Шоферы часто забывали заранее заблокировать дифференциал перед началом движения на слабых грунтах, в результате автомобиль сначала застревал, а уж потом шофер вспоминал о блокировке, да было уже поздно. Каждый знает, что машину можно легко засадить, но очень тяжело вытащить из засады. Но это была еще не самая большая беда.
Хуже того, шофер, включив блокировку на слабых грунтах, забывал ее отключить при выезде на шоссе. В результате ломалась трансмиссия, у шофера портилось настроение, да к тому же машины стали активно скупать блондинки, которые приходили в отчаяние при виде леса рычагов, торчащих из пола машины.
А некоторые конструкторы с целью улучшения проходимости выдумали использовать два ручника. Левый блокировал левое колесо, правый – правое. И если при остановке машины на обочине правое колесо оказывалось на льду, а левое на асфальте, шофер зажимал правым ручником правое колесо и машина выезжала за счет силы тяги левого колеса. Голь на выдумки хитра.
Конструкторская мысль не стоит на месте и инженеры во всем мире ломали голову над тем, как изготовить такой автоматический механизм, который бы обладал всеми достоинствами дифференциала и в то же время был бы лишен его недостатков. Требовалось сконструировать механизмы, которые сохраняя дифференциальный эффект, обеспечивали бы такое неравное перераспределение крутящего момента между ведущими колесами, при котором создавалась максимально возможная сила тяги у колеса, оказавшегося в лучших сцепных условиях, при неизбежном уменьшении тяговой силы колеса, имеющего худшее сцепление. Для достижения этой цели требовалось изобрести такой механизм, который бы сохраняя дифференциальный эффект (возможность вращения полуосей с неравными угловыми скоростями), обеспечил бы автоматически меняющееся силовое передаточное отношение между полуосями (пропорцию распределения крутящего момента) в непрерывно изменяющихся сцепных условиях колес, в результате чего каждое из колес могло бы полностью использовать для движения машины силу своего сцепления с дорогой.
Задача эта до настоящего времени еще полностью не решена, но попытки были.
Первым шагом в решении данной задачи было изобретение самоблокирующихся дифференциалов, которым советские конструкторы дали наименование «повышенного трения».

Отредактировано ALEKS+ (2011-07-09 21:24:35)

Глава III Принципы и свойства дифференциалов повышенного трения (самоблокирующихся).

Как говорилось ранее, перед конструкторами встала задача изменить свойство обычного дифференциала выравнивать крутящий момент между колесами путем его уменьшения на колесе, имеющем лучшее сцепление с дорогой. Конструкторская мысль пошла по трем основным направлениям:
I. Конструирование дифференциалов повышенного трения на основе серийно выпускаемых конических и цилиндрических диффференциалов.
II. Изготовление новых по конструкции дифференциалов повышенного трения с намеренно пониженным КПД.
III. Изготовление механизмов, автоматически блокирующих обычные дифференциалы. Механизмы, входящие в данную группу самоблокирующимися дифференциалами не являются (хотя для простоты многие их так называют) и будут рассмотрены отдельно.
Главная идея любого дифференциала повышенного трения (далее по тексту ДПТ) состоит в том, чтобы механически связать его выходные валы (полуоси) между собой. При этом связь не должна быть жесткой, как при использовании шлицевых блокирующих муфт. Необходимо было создать такой дифференциальный механизм, который бы исключил возможность раздельного буксования колес ведущего моста при движении на деформируемых грунтах и по снегу, когда может возникнуть существенное различие сил сцепления колес с грунтом, и не препятствовал вращению колес с различными угловыми скоростями во время прохождения поворотов и переезда неровностей при движении по шоссе и грунтовым дорогам, когда колесам одной оси необходимо проходить неравные пути. Эти две задачи состоят во взаимном противоречии, но, тем не менее, были изготовлены дифференциалы, которыми они были успешно решены.
В английском языке такие механизмы обычно именуют «limited sleep» (ограниченного проскальзывания) или «Torque Sensing» (моменточувствительные). На мой взгляд, оба этих термина не совсем верно отражают принцип действия данных механизмов.
Я не перестаю удивляться богатству и полнозвучию русского языка, наверное ни один язык в мире не предоставит такого обилия в выборе нужных слов, позволяющих точно описать сложный процесс или явление. При описании самоблокирующихся дифференциалов советские конструкторы использовали словосочетание «самотормозящийся механизм». Это выражение точно и кратко характеризует процессы, происходящие в ДПТ. Именно взаимное самоторможение деталей дифференциала друг о друга, обусловленное наличием сил трения между деталями, препятствует полуосевым шестерням и связанным с ними выходным валам совершать относительное движение, то есть вращаться с неравными угловыми скоростями. Колесо, находящееся в условиях низкого сцепления с дорогой, через связанную с ним полуось тормозится об дифференциал, что препятствует его ненужному раскручиванию (буксованию). И при этом тормозясь, оно как бы подкручивает через детали дифференциала другое колесо, находящееся в лучших условиях сцепления. В результате при уменьшении тяговой силы на колесе с худшим сцеплением происходит увеличение тяговой силы на колесе с лучшим сцеплением, соответственно в это же время происходит перераспределение величин Мк: Мк приложенный к полуоси колеса с худшим сцеплением уменьшается, с лучшим – увеличивается. В этом режиме ДПТ уже не делит Мк между колесами 50/50, как обычный дифференциал, не выравнивает моменты между колесами путем снижения суммарного Мк колес оси, а создает условия для перераспределения большего по величине крутящего момента к полуоси колеса, находящегося в лучших сцепных условиях.
Намеренное создание повышенного трения между деталями дифференциала, понижение его КПД – вот главный принцип при конструировании самоблокирующегося дифференциала. Есть масса конструктивных способов как этого добиться, существуют сотни конструкций ДПТ, но принцип действия у всех единый – повышенное трение в механизме, «самоторможение».

Дифференциалом повышенного трения можно назвать такой планетарный механизм, в котором намеренно снижено КПД путем конструктивно введенного повышенного трения, возникающего между его деталями при определенных режимах его работы (либо постоянно).
Под блокированным режимом работы ДПТ понимается такое его состояние, при котором за счет внутреннего трения между его деталями обеспечивается связь между выходными валами, и отсутствует их вращение с неравными угловыми скоростями (полуоси вращаются как единая ось) несмотря на различие величин тяговых сил, возникающих в контакте колес с дорогой. Когда начинается вращение выходных валов ДПТ с различными угловыми скоростями, говорят: «ДПТ разблокировался».

Важнейшим оценочным критерием свойств ДПТ является коэффициент блокировки Кб, представляющий наибольшее по величине отношение крутящего момента Мк на выходном валу, вращающемуся медленнее (отстающем), к величине Мк на валу, вращающемуся быстрее (забегающем), при срабатывании дифференциала, т.е. когда он разблокировался.
Кб = Мот / Мзаб
Но при оценке несимметричных ДПТ такое определение Кб не подходит из за того, что в них конструктивно заложено неравенство распределения Мк между выходными валами. Для них было введено иное понятие Кб: отношение максимального момента трения Мтр, возникающего между деталями дифференциала, к величине Мк, приложенного к его корпусу:
Кб = Мтр /Мд
В некоторых описаниях ДПТ применяют оценку Кб в процентном отношении, например 30%, 40%. Это сложно для восприятия, но по сути является отражением Кб как Мтр/Мд. Допустим, если 30% то Кб=0,3; 40% - 0,4 и т.д. Но наиболее удобен для восприятия Кб как отношение большего момента к меньшему, поэтому при рассмотрении свойств симметричных ДПТ пользуются им.

ДПТ классифицируются в зависимости от изменения Кб при различных режимах работы:
с постоянным коэффициентом блокировки – Кб во всех режимах постоянен (един) и прямо пропорционален по отношению к величине крутящего момента, приложенного к корпусу дифференциала;
с переменным коэффициентом блокировки - Кб в различных режимах не постоянен (различный) и не пропорционален по отношению к величине крутящего момента, приложенного к корпусу дифференциала, но находится от него в определенной зависимости.

Как происходит процесс блокирования в дифференциалах повышенного трения с постоянным Кб.

Блокирующий момент в дифференциале возникает сразу, как только к его корпусу прилагается крутящий момент, например: возникает сила тяги при строгании с места – дифференциал заблокирован, снял ногу с педали газа (торможение мотором) – разблокирован (он может снова заблокироваться тормозным моментом, но данный аспект здесь не рассматриваю). При этом величина блокирующего момента (момента трения) в дифференциале прямо пропорциональна моменту, приложенному к корпусу дифференциала – чем больше момент на корпусе, тем больше по величине блокирующий момент, связывающий полуоси между собой, тем больше нужно силы, чтобы провернуть полуоси относительно друг друга. Когда машина движется прямо по асфальту, момент распределяется дифференциалом примерно поровну. Но при этом дифференциал под тягой УЖЕ заблокирован, эта симметричность распределения моментов между колесами – простое совпадение, при полностью (жестко) заблокированном дифференциале при прямолинейном движении момент распределялся бы между колесами также в равных пропорциях. Но стоит условиям сцепления на колесах измениться, например одно из колес попало на лед, а другое находится на асфальте – в дифференциале повышенного трения тут же начнется перераспределение моментов: при уменьшении величины момента, распределяемого на колесо, находящееся (например) на льду, будет происходить увеличение момента, распределяемого к колесу, находящемуся на асфальте. При этом величина Мк на корпусе дифференциала не изменится. То есть дифференциал как бы «придержит» колесо на льду, не даст ему раскрутиться. Таким образом, дифференциал повышенного трения под тягой всегда заранее заблокирован, то есть еще ДО изменения силы сцепления колес с дорогой дифференциал готов начать перераспределять момент.
Коэффициент блокировки, возникающий ДО появления разности скоростей вращения полуосей называется начальный коэффициент блокировки или коэффициент блокировки покоя. Он будет в дифференциале до того момента, пока разность внешних сил (реакций дороги), обусловленная (например) разностью сил сцепления колес с дорогой, не станет больше по величине, чем сила трения покоя, возникающая между деталями дифференциала. После того, как внешние силы, стремящиеся преодолеть силу трения покоя в дифференциале (блокирующий момент) вызовут разность скоростей вращения полуосей, трение покоя перейдет в трение скольжения, и коэффициент блокировки дифференциала начнет расти, пока не достигнет своего максимального значения, которое называется максимальный коэффициент блокировки дифференциала. Не во всех дифференциалах максимальный Кб больше начального Кб, все зависит от конструкции конкретного механизма. В технической документации обычно в качестве коэффициента блокировки указывают максимальный коэффициент блокировки дифференциала.
Таким образом, можно сделать вывод, что процесс блокирования в любом дифференциале повышенного трения начинается сразу, как только на его корпус подается крутящий момент. Соответственно, момент трения в дифференциале пропорционален моменту на корпусе дифференциала и его величина зависит от значения коэффициента блокировки. Описанный процесс происходит во всех без исключения ДПТ, применяемых на современных легковых автомобилях: с дисковыми муфтами трения, с цилиндрическими косозубыми шестернями, кулачковых или червячных.
Известный советский конструктор А.Х. Лефаров в своей книге «Дифференциалы автомобилей и тягачей» (стр. 55-56) писал:
«Блокирующие свойства дифференциала начинают проявляться немедленно, как только появляется разность сил тяги колес ведущего моста. Причем в первый период относительное вращение полуосей отсутствует. Оно появляется при достижении разности сил тяги некоторой величины, определяемой значением коэффициента блокировки».

Хочу привести еще один наглядный пример, описывающий процесс блокирования ДПТ с очень высоким Кб (около 10), установленным в заднем мосту грузового автомобиля высокой проходимости, имеющего шины низкого давления, вот такого:
ак только машина стронется с места, в дифференциале сразу возникнет блокирующий момент, который свяжет полуосевые шестерни. Когда машина начнет поворачивать, тут же возникнет необходимость вращения колес моста с различными угловыми скоростями. Но ДПТ заблокирован и внутренние силы в его механизме будут этому препятствовать. Вследствие этого начнется закручивание полуосей и тангенциальная деформация резины – радиус внутреннего колеса будет уменьшаться, а наружного увеличиваться. Соответственно начнется перераспределение крутящих моентов между колесам: величина Мк на наружном колесе станет уменьшаться, на внутреннем увеличиваться. При дальнейшем увеличении угла поворота управляемых колес отношение моментов превысит начальный коэффициент блокировки, дифференциал разблокируется, но увеличение Мк на внутреннем колесе продолжится, пока дифференциал «не выйдет в режим» максимального Кб. После этого при последующем увеличении угла управляемых колес пропорция распределения Мк между колесами не изменится.
А если машина, имеющая ДПТ с очень высоким Кб, будет передвигаться по бездорожью на слабых грунтах или по снегу, данный ДПТ обеспечит колесам моста совместное нераздельное буксование почти во всех условиях движения (за исключением полного отрыва одного из колес от грунта). Если отношение величин сил сцепления колес с лучшим и худшим сцеплением будет по значению меньше, чем начальный Кб дифференциала – он будет блокирован и обеспечит нераздельное буксование колес, если больше – он разблокируется и колеса будут вращаться (буксовать) с разным числом оборотов:
Рmax / Pmin < Кб – нераздельное буксование;
Рmax / Pmin > Кб – раздельное буксование.
Дифференциал с высоким Кб на бездорожье обеспечивает колесам моста максимально возможную тяговую силу, аналогично блокированному приводу. Но на современных легковых машинах (внедорожниках) ДПТ с таким высоким Кб не применяют из-за того, что данные механизмы, связывая колеса между собой, на сухой дороге вызывают возникновения момента сопротивления повороту, ухудшая поворотливость машины, а на скользкой дороге могут вызвать занос оси. Поэтому в современные машины обычно ставят ДПТ с Кб = 2…3.