Сучасні тенденції розвитку диференціалів
Останнім часом, у зв’язку з застосуванням автоматичних систем керування рухом (ABS, ASC+T, Dynamic StabilityControl-DSC, Automatic Differential Brake-ADB-X, тощо), прослідковується тенденція все більшого застосовування самоблокувaльних диференціалів та диференціалів з автоматичним керуванням.
На багатьох легкових автомобілях прогресує застосовування гіпоїдних диференціалів підвищеного тертя з фрикційними муфтами, як міжосьових так і міжколісних.
Розвиток конструкції диференціалів проводиться у напряму найбільш повного забезпечення безпеки руху, покращення керованості, оптимального розподілу крутного моменту між колесами, в залежності від їх коефіцієнта зчеплення з дорогою та можливості використання автоматичних систем керування.
- Для забезпечення прохідності все більшого поширення набуває застосування диференціалів підвищеного тертя.
- За конструкцією появляються циліндричні, планетарні з дисками, тощо.
- За способом розподілу крутного моменту: Симетричні та несиметричні.
- За способом керування все більшого поширення набули диференціали з автоматичним електронним керуванням та самоблокувальні, що спрацьовують від різниці у кутових швидкостях приводних валів (speed sensitive), або від різниці передаваємих на приводні вали крутних моментів (torque sensitive), що виключають буксування коліс однієї сторони.
Автоматичні системи керування роботою диференціала
У сучасному автомобілі застосовуються багато автоматичних електронних систем керування та контролю за рухом автомобіля. З кінця 1980-х років діє система контролю за тяговим зусиллям та зчепленням коліс з дорогою - Traction Control. Тойота, наприклад, встановила систему Traction Control на Lexus LS400 у 1989 (90) роках. Принцип дії: Датчики обертання, встановлені на контролюємих колесах, фіксують проковзування одного з коліс відносно іншого і система автоматично гальмує колесо, що буксує тим самим збільшуючи на нього навантаження та примушуючи дифференціал передавати крутний момент на колесо з добрим зчепленням з поверхнею дороги. При значному буксуванню, автоматична система керування обмежує подачу палива в циліндри та знижує потужність двигуна. Робота такої системи дуже ефективна на задньоприводних автомобілях (Mercedes ML, BMW X5). Електронна система контролю за гальмівними зусиллями, при застосуванні у диференціалах жорсткого блокування або самоблокувальних диференціалів, вдало доповнює систему розподілу крутного моменту. Прикладом тому є висока керованість та прохідність позашляховиків Тойота 4Runner (Hilux Surf), Prado, Lexus GX470 у яких використовується міжосьовий диференціал Torsen T-3 з можливістю жорсткого блокування, а також електронна система контролю гальмівних зусиль і тяги та рядом багатьох інших функцій, що допомогають водію у керуванні автомобілем.
Наприклад система Dual Pump System з двома насосами, автоматично гальмуюча колесо, що буксує і перерозподіляє крутний момент на колесо з кращим зчепленням з поверхнею дороги. Застосовується у повноприводних автомобілях Honda. Позитивна сторона: працює автоматично, економить паливо. Негативна сторона: обмежена прохідність та буксирування, складність.
З часом система Traction Control удосконалилась і її почали ставити на повно приводні автомобілі, що дозволило перерозподіляти крутний момент між осями та колесами (Mercedes ML, BMW X5 та інші ). Хороші показники перерозподілу крутного момента, керованості, прохідності мають самоблокуючі гіпоїдні диференціали Torsen T-3 з електронною системою контролю гальмівних та тягових зусиль (4Runner, Prado, Lexus G X470 та інші).
Рис. 1. Будова міжколісного конічного диференціала
На сьогоднішній день диференціали з конічними зубчатими колесами застосовується на більшості автомобілів загального призначення.
Недоліком конічного планетарного механізму є те, що він при різному коефіцієнту зчеплення коліс з поверхнею дороги не забезпечує рівномірний розподіл крутного моменту між колесами, а передає крутний момент на колесо з меншим зчепленням з поверхнею дороги, що приводить до зниження швидкості руху автомобіля, або відсутністю можливості рухатись дальше. Так, якщо обидва колеса моста мають одинакове зчеплення з поверхнею дороги і якщо зусилля, необхідне для руху кождого колеса одинакове то дифференціал буде розподіляти крутний момент рівномірно між колесами. Під час знаходження одного з коліс вісі на льоду, а іншого на поверхні дороги з добрим зчепленням, диференціал перерозподіляє крутний момент до колеса на льоду і воно починає обертатися з великою кутовою швидкістю. Інше колесо не отримуючи крутний момент обертатись не буде.
Все це погіршує прохідність та керованість автомобіля.
Рис. 2. Конічний міжколісний диференціал Тойота з віскозною муфтою
Рис. 3. Віскозна муфта, сателіти конічного диференціала
та ведена шестірня головної передачі автомобіля Тойота
Рис. 4. Конструкція віскозної муфти:
Корпус; 2- вал корпуса; 3,6- ведучий та ведений вали; 4- диски;
5- ущільнення.
Рис. 5. Диференціал з фрикціонами friction based LSD задніх мостів автомобілів позашляховиків Toyota 4 Runner, Nissan Terrano, KIA Sportage
Спрацьовують від різниці у кутових швидкостях та різниці в крутному моменту автоматично.
Конічний симетричний диференціал. Блок фрикційних дисків (позначено червоними точками) між привідними валами та чашкою диференціала.
Шестірні приводних валів при збільшенні крутного моменту пересуваючись на приводних валах з більшою силою притискають диски.
При виникненні різниці у кутових швидкостях приводних валів та корпуса, диски під дією сили тертя стримують виникнення цієї різниці. Якщо величина крутного моменту буде більшою сили тертя дисків, приводний вал з малим опором руху буде обертатись з більшою швидкістю, ніж протилежний приводний вал. Таке блокування працює у невеликому діапазоні відношень моментів приводних валів. Часто, фрикційні диски піджимають пружинами. Застосування фрикційних керованих дисків диференціала дозволяє перерозподілити крутний момент та направляти більший крутний момент на зовнішній привідний вал коліс та покращити керованість на повороті.
Рис. 6. Самоблокувальний героторний дисковий диференціал
Gerodisk (Hydra-Loсk 1 з насосом позашляховика Chrysler)
Конічний симетричний диференціал, фрикційне зчеплення між напіввісями і чашкою, героторний насос з поршнем.
Американська компания ASHA Corp. встановила пакет фрикціонів LSD диференціалу елементом блокування, що складається з насоса з поршнем (Героторний диференціал). При виникненні різниці у кутових швидкостях привідних валів коліс, насос нагнітає масло у простір над поршнем, який стискає фрикційні диски та блокує диференціал. Така конструкція отримала назву Gerodisk (Hydra-Lock) та установлюється на позашляховики Chrysler. Майже для всіх friction based диференціалів необхідно використовувати спеціальне масло, яке містить присадки, що забезпечують нормальну работу фрикційних блоків.
Рис. 7. Диференціал з віскозною муфтою visco lock small
Диференціал складається з конічного планетарного ряду та муфти блокування одного з приводних валів з чашкою диференціалу.
Віскомуфта монтується співвісно приводному валу таким чином, що один її привід жорстко закріплений до чашки диференціалу, а другий – до приводного вала. Під час прямолінійного руху кутові швидкості чашки і приводних валів рівні, або мало відрізняються і муфта обертається як одно ціле. Як тільки один з приводних валів починає обертатись з більшою кутовою швидкістю, ніж другий у віскомуфті між дисками появляється тертя і вона блокується. Чим вище різниця у кутових швидкостях, тим сильніше тертя між дисками і ступінь блокування диференціалу. По мірі вирівнювання кутових швидкостей чашки та приводного вала тертя між дисками зменшується, що приводить до розблокування. Як міжосьовий диференціал встановлюється на позашляховиках: Toyota Rav4, Lexus RX300 тощо.
Рис. 8. Будова диференціалу підвищеного тертя автомобіля ГАЗ-66:
Рис. 9. Кулачковий диференціал підвищеного тертя БТР-60,
ГАЗ-66
Кулачкові та зубчаті колісні пари, при малій різниці в кутових швидкостях приводних валів, змінюють своє кутове взаємне розташування, але при буксуванні заклинюються та блокують приводні вали. Ця властивість негативно позначається під час руху автомобіля на повороті з великими швидкостями. Кулачкові диференціали підвищеного тертя встановлюються на техніку військового та спеціального призначення: ГАЗ-66, БТР-60, Detroit Locker, Detroit E-Z Locker (фірми Tractech).
Під час руху автомобіля по прямій рівній поверхні колеса отримують рівнозначний опір і обертаються з однаковою частотою. Сателіти навколо своєї осі не обертаються і на обидва ведучі колеса передаються рівні за величиною крутні моменти. Під час руху на повороті зовнішнє колесо починає обертатись з більшою кутовою швидкістю разом з приводним валом та шестірнею, так як долає більшу відстань, а внутрішнє з меншою кутовою швидкістю, так як долає меншу відстань. Сателіти при цьому обкочуються по внутрішній шестірні приводного вала, що сповільнює кутову швидкість обертання. Наскільки зменшується кутова швидкість внутрішнього приводного вала настільки збільшується кутова швидкість обертання зовнішнього приводного вала. Така позитивна якість диференціала дозволяє рухатись при поворотах автомобіля та по нерівностях дороги. Разом з тим при знаходженні одного з коліс однієї вісі на слизькій ділянці, воно починає обертатись з максимальною кутовою швидкістю, а друге колесо пробуксовує або повністю зупиняється. Така властивість диференціала негативно впливає на прохідність автомобіля. Для підвищення прохідності у диференціалах застосовують примусове або автоматичне блокування, тобто сателіти навколо своєї шестірні майже не обертаються, або не обертаються. При цьому крутний момент передається повністю до того колеса, що має краще зчеплення з поверхнею дороги. Блокування може бути частковим або повним.
Рис. 10. Зубчатий диференціал Detroit Locker1 підвищеного тертя з автоматичним блокуванням
Рис. 11. Зубчатий диференціал Detroit E- Z Locker1підвищеного тертя
з автоматичним блокуванням
Кулачкові та зубчасті пари при невеликій різниці в кутових швидкостях привідних валів мають можливість взаємно провертатися (перескакувати), а при буксуванні заклинюються і блокують приводні вали один з іншим, або вимикають один з привідних валів в момент виникнення невеликої різниці у кутових швидкостях.
Рис. 12. Міжосьовий диференціал підвищеного тертя Torsen автомобіля Audi Quattro:
1-корпус; 2,4- передня та задня шестірні; 3- черв’ячні сателіти; 5- фланець карданної передачі; 6- ось сателітів; 7- прямозубі шестірні; 8- ведений вал;
9- ведучий вал; А- силовий потік до передньої вісі; В- силовий потік до задньої вісі.
Рис. 13. Гіпоїдний самозаклинювальний диференціал Quaife1.
Аналогічну конструкцію мають диференціали True Trac компанії Tractech
Корпус диференціала; шестерні приводних валів; сателіти, осі яких розташовані паралельно приводним валам у кишенях чашки диференціала. Парні гіпоїдні сателіти створюють між собою гіпоїдні пари, які з’єднують шестірні приводних валів.
Під час обертання приводних валів з шестірнями з різними кутовими швидкостями, гіпоїдні шестірні розклинюючись, частково блокують диференціал і вирівнюють кутові швидкості приводних валів.
Рис. 14. Деталі гіпоїдного самозаклинювального диференціала T-2 компанії Zexel Torsen
В порівнянні з Zexel Torsen Т-1 такі диференціали мають менший діапазон роботи блокування, але більш чутливі до різниці передаваємого моменту і спрацьовують раніше (починаючи від 1.4/1).
Диференціали компанії Zexel Torsen використовуються на автомобілях 4 Раннер Тойота (Supra, Celica, Rav4, Lexus IS300, RX300 тощо), та позашляховиках (4Runner (Hilux Surf), Land-Cruiser, Mega-Cruiser, Lexus GX470) і автобусах (Coaster Mini-Bus).
Корпус диференціала з кришкою; шестірні приводних валів; сателіти осі яких розташовані паралельно приводним валам у порожнинах чашки диференціалу. Парні гіпоїдні сателіти створюють між собою гіпоїдні пари.
Гіпоїдні шестірні розклинюючись, частково блокують диференціал. При використанні диференціала повний крутний момент розподіляється між осями (наприклад: 4Раннер) 40% на переднью вісь та 60% на задню вісь. Спрацювання проходить при 20-30% різниці у моментах, що передаються на приводні вали. Компактна конструкція диференціала спрощує розташування у агрегатах трансмісії. Використовуються як міжосьові та і як між колісні.
Рис. 15. Міжосьовий гіпоїдний диференціал Torsen з вісями сателітів паралельними вісям приводних валів:
1,3- права та ліва півосьові шестірні; 2- корпус диференціала;
4,6- сателіти зв’язані з правою та лівою півосьовими шестернями;
5,7- вихідні вали.
Рис. 16. Гіпоїдний диференціал Zexel Torsen 1з сателітами, які розташовані перпендикулярно осям приводних валів
Гіпоїдні пари-шестірні привідних валів та сателіти. Кожен привідний вал має свої сателіти, що з’єднанні з сателітами протилежного приводного вала прямозубим зачепленням. Парні сателіти з’єднані між собою з зовнішньої сторони сонячних шестірен.
Під час прямолінійного руху та рівних крутних моментах на привідних валах гіпоїдні пари “сателіт-ведуча шестірня” або зупинені або обертаються забезпечуючи рух. На повороті дороги, або слизькій поверхні дороги як тільки диференціал пробує передати крутний момент на один з приводних валів, гіпоїдна пара цього вала розклинюється і блокується з чашкою диференціала і здійснюється часткове блокування диференціала. Діференціал працює в діапазоні відношень крутного моменту - від 2.5/1 до 5.0/1 і є один з самих потужних. Діапазон спрацювання здійснюється кутом повороту осі черв’яка.
Рис. 17. Міжосьовий планетарний диференціал Torsen3