Біг по колу: Диференціал

Спочатку винайшли диференціал, дозволивши колесам однієї осі обертатися з різними швидкостями. Потім вирішили ускладнити його роботу за допомогою блокувань...

Всі сучасні автомобілі, передні - і задньопривідні, приводяться в рух всього одним колесом. А ви цього не знали? Коли ми говоримо «провідні колеса», то маємо на увазі тільки одне з них. Диференціал допомагає машині слухняно входити в поворот, але одночасно робить її безпорадною, дозволяючи одному з провідних коліс буксувати. Це ще навіщо? Розберемося в нюансах роботи диференціалу.

Винахідники вже 100 років тому помітили, що їх оснащені двигунами екіпажі, прообрази сьогоднішнього автомобіля, не дуже охоче слухаються керма. Розгадка була знайдена швидко. Справа в тому, що конструкція самобіглого воза дійсно нагадувала кінний екіпаж з двома провідними колесами, намертво закріпленими на кінцях задньої осі. У цьому-то і була причина огидної керованості!

Коли самобігле воза котилася по окружності, внутрішнє колесо прагнуло робити менше обертів, ніж зовнішнє, оскільки йшло по окружності з меншим радіусом. А зовнішнє - навпаки! Ліві та праві колеса на дузі проходять різний шлях, а значить - роблять різну кількість обертів, це зрозуміло. Пов'язані однією віссю, вони не можуть крутитися з різними швидкостями і вступають у протиборство, задня вісь ковзає, і воза не слухається спрямованих у поворот передніх коліс. Винахід і застосування диференціалу на автомобілях вирішив цю проблему.

Заглянувши в довідник, ми побачимо визначення: «диференціал - це механізм трансмісії, який, розподіляючи крутячий момент між двома відомими валами (колесами або мостами) в заданому співвідношенні, забезпечує їм обертання з різними кутовими швидкостями». Обертання двох коліс з різними кутовими швидкостями - якраз те, що потрібно для хорошої керованості машини.

Як звільнити колеса

За різних умов зчеплення лівих і правих шин з дорожнім покриттям шина з меншим коефіцієнтом зчеплення починає буксувати. От якби зробити навпаки, а то буксує шина, якій нема за що зачепитися! Про це ми ще поговоримо, а спочатку подивимося, як працює диференціал. У його корпусі, або чашці, знаходиться так званий планетарний механізм. Сателіти (зубчасті шестірні) можуть обертатися навколо своєї осі разом з чашкою диференціалу. Це обертання і є так званий біг по колу, коли одна напівось крутиться, а друга стоїть на місці, якщо машина буксує. А коли машина йде по дузі, напівосі просто обертаються з різною швидкістю. Тепер зрозуміло, чому у машини з однією провідною віссю (передній або задній привід) і двома провідними колесами дійсно ведучим є тільки одне з них. Дивлячись за обставинами - ліве або праве. Такий пристрій допомагає повертати, але в той же час заважає найбільш повній реалізації крутячого моменту двигуна! І вже звичайно, не допомагає в ситуації, коли автомобіль застряг у багнюці...

Усунути цей недолік дозволяє диференціал підвищеного тертя. З ним буксувати будуть обидва провідних колеса, і машина, яка потрапила в складну ситуацію, швидше за все, рушить з місця. Раніше такий диференціал встановлювався виключно на гоночні та спортивні машини - для поліпшення старту, проходження поворотів і розгону, а з вісімдесятих років його можна зустріти і на багатьох серійних моделях (найчастіше як додаткове обладнання за додаткову плату). Диференціал підвищеного тертя, або по-простому, блокування, може бути різних типів. Однак принцип роботи залишається загальним: створення опору обертанню сателітів навколо своєї осі, тобто передача частини моменту на буксуюче колесо. Передати на нього стільки крутячого моменту, щоб керованість машини в повороті збереглася, - основне завдання для конструкторів «цивільних машин».

У творців «бойової» спортивної техніки завдання принципово інше: максимально заблокувати диференціал, домігшись максимальної динаміки розгону. Але при цьому гоночний автомобіль не повинен перетворюватися на воза: через дуже жорстке блокування керованість гоночного боліда може сильно погіршитися. Само собою зрозуміло, керованість спортивної машини, тобто її баланс, повинен прагнути нейтральних значень. Коефіцієнт спортивних блокувань іноді сягає 60 відсотків, тоді як на серійних автомобілях коливається від 20 до 40 відсотків.

Як працюють блокування

Принцип дії блокувань може бути різним: застосування фрикційних дисків або конусів, самоблокуються зубчастих шестерень або багатодіскових муфт, що знаходяться у високов'язкому рідинному середовищі. Ефективність блокування диференціалу посилюється зі зміною крутячого моменту двигуна (дискове блокування), різниці моментів на осях (кулачковий принцип) або зміни частоти обертання (віскомуфта системи Торсен).

Блокування може включатися з місця водія. Така система застосовується на всюдиходах і тракторах. Вона може мати і електронне управління, тобто включатися автоматично. Система з гідравлічним приводом включення блокування відмінно зарекомендувала себе в кінці вісімдесятих - початку дев'яностих років на легкових автомобілях марки Mercedes. Можливість застосування електронних систем на трансмісії автомобіля відкрила система АБС, а вірніше - її датчики швидкості обертання коліс. Вони вважають обороти коліс і дають інформацію блоку управління. Якщо має місце пробуксовка, тобто оберти різних коліс не збігаються з заданим значенням, - той включає систему.

Блокування міжосевого диференціалу - неодмінна умова ефективності повнопривідного автомобіля. До таких машин пред'являються підвищені вимоги, що стосуються сили тяги. Передня і задня осі не можуть бути жорстко пов'язані один з одним! По-перше, через зростання навантажень (що неминуче при колісній формулі 4Х4), що призводять до поломок осей. По-друге, через майже повну втрату керованості машини при такій схемі. Значить, потрібен диференціал, а до нього - блокування. Уявіть собі водія легковика, який вручну вмикає блокування міжосевого диференціалу, коли машина буксує. Абсурд, та й годі. На всюдиходах і вантажівках з такою системою змиритися ще можна.

Блокування легковика

Відсутність ефективного міжосевого блокування диференціалу стримувала серійний випуск легкового повнопривідного автомобіля. На перших повнопривідних моделях Ауді 80-х років стояла система, яка розподіляла крутний момент між осями у співвідношенні 50:50 за допомогою найпростішого конічного диференціалу. З використанням АБС при такій системі були проблеми, тому на перших моделях Ауді є кнопка відключення цієї системи. В'язкова муфта типу Торсен (багатодіковий механізм з високов'язкою кремнійорганічною рідиною) знайшла застосування на повнопривідних легкових машинах пізніше і з успіхом використовується донині як найсучасніший механізм приведення в дію приводу на всі колеса. Головна перевага міжосевого диференціалу з блокуванням у вигляді муфти Торсен полягає в тому, що за нормальних умов у машини постійно підключено тільки один міст. Як тільки граничне тягове зусилля на ньому перевищується, блокування Торсен реагує на збільшення проскальзування і починає передавати крутящий момент до другого провідного мосту. Це відбувається механічним шляхом, без втручання електроніки. Дуже важливо, що властивості такого блокування не змінюються за весь період експлуатації. Механізм вільного ходу дозволяє ефективно використовувати систему АБС.

На сучасних легкових «повнопривідниках» застосовуються також диференціали підвищеного тертя з електронним управлінням для роботи в широкому діапазоні експлуатаційних умов. Наприклад, зворушення з місця на неоднорідній слизькій поверхні вимагає високого коефіцієнта блокування. Далі при збільшенні частоти обертання валів або при досягненні граничної величини сили тяги блокуючий ефект диференціалів знижується.