Бег по кругу: Дифференциал

Изобретатели уже 100 лет назад заметили, что их оснащенные двигателями экипажи, прообразы сегодняшнего автомобиля, не очень охотно слушаются руля. Разгадка была найдена быстро. Дело в том, что конструкция самобеглой повозки действительно напоминала конный экипаж с двумя ведущими колесами, намертво закрепленными на концах задней оси. В этом-то и была причина отвратительной управляемости!

Когда самобеглая повозка катилась по окружности, внутреннее колесо стремилось делать меньше оборотов, чем внешнее, так как шло по окружности с меньшим радиусом. А внешнее — наоборот! Левые и правые колеса на дуге проходят разный путь, а значит — делают различное количество оборотов, это понятно. Связанные одной осью, они не могут крутиться с разными скоростями и вступают в противоборство, задняя ось скользит, и повозка не слушается направленных в поворот передних колес. Изобретение и применение дифференциала на автомобилях решило эту проблему.

Заглянув в справочник, мы увидим определение: «дифференциал — это механизм трансмиссии, который, распределяя крутящий момент между двумя ведомыми валами (колесами или мостами) в заданном соотношении, обеспечивает им вращение с разными угловыми скоростями». Вращение двух колес с разными угловыми скоростями — как раз то, что нужно для хорошей управляемости машины.

При различных условиях сцепления левых и правых шин с дорожным покрытием шина с меньшим коэффициентом сцепления начинает буксовать. Вот если бы сделать наоборот, а то буксует шина, которой не за что зацепиться! Об этом мы еще поговорим, а сначала посмотрим, как работает дифференциал. В его корпусе, или чашке, находится так называемый планетарный механизм. Сателлиты (зубчатые шестеренки) могут вращаться вокруг своей оси вместе с чашкой дифференциала. Это вращение и есть так называемый бег по кругу, когда одна полуось крутится, а вторая стоит на месте, если машина буксует. А когда машина идет по дуге, полуоси просто вращаются с разной скоростью. Теперь понятно, почему у машины с одной ведущей осью (передний или задний привод) и двумя ведущими колесами действительно ведущим является только одно из них. Смотря по обстоятельствам — левое или правое. Такое устройство помогает поворачивать, но в то же время мешает наиболее полной реализации крутящего момента двигателя! И уж конечно, не помогает в ситуации, когда автомобиль застрял в грязи...

Устранить этот недостаток позволяет дифференциал повышенного трения. С ним буксовать будут оба ведущих колеса, и попавшая в сложную ситуацию машина, скорее всего, двинется с места. Раньше такой дифференциал устанавливался исключительно на гоночные и спортивные машины — для улучшения старта, прохождения поворотов и разгона, а с восьмидесятых годов его можно встретить и на многих серийных моделях (чаще всего как дополнительное оборудование за дополнительную плату). Дифференциал повышенного трения, или по-простому, блокировка, может быть разных типов. Однако принцип работы остается общим: создание сопротивления вращению сателлитов вокруг своей оси, то есть передача части момента на буксующее колесо. Передать на него столько крутящего момента, чтобы управляемость машины в повороте сохранилась, — основная задача для конструкторов «гражданских машин».

У создателей «боевой» спортивной техники задача принципиально иная: максимально заблокировать дифференциал, добившись максимальной динамики разгона. Но при этом гоночный автомобиль не должен превращаться в телегу: из-за очень жесткой блокировки управляемость гоночного болида может сильно ухудшиться. Само собой разумеется, управляемость спортивной машины, то есть ее баланс, должен стремиться к нейтральным значениям. Коэффициент спортивных блокировок иногда достигает 60 процентов, в то время как на серийных автомобилях колеблется от 20 до 40 процентов.

Принцип действия блокировок может быть различным: применение фрикционных дисков или конусов, самоблокирующихся зубчатых шестерен или многодисковых муфт, находящихся в высоковязкой жидкостной среде. Эффективность блокировки дифференциала усиливается с изменением крутящего момента двигателя (дисковая блокировка), разности моментов на осях (кулачковый принцип) или изменения частоты вращения (вискомуфта системы Торсен).

Блокировка может включаться с места водителя. Такая система применяется на вездеходах и тракторах. Она может иметь и электронное управление, то есть включаться автоматически. Система с гидравлическим приводом включения блокировки отлично зарекомендовала себя в конце восьмидесятых — начале девяностых годов на легковых автомобилях марки Mercedes. Возможность применения электронных систем на трансмиссии автомобиля открыла система АБС, а вернее — ее датчики скорости вращения колес. Они считают обороты колес и дают информацию блоку управления. Если имеет место пробуксовка, то есть обороты разных колес не совпадают с заданным значением, — тот включает систему.

Блокировка межосевого дифференциала — непременное условие эффективности полноприводного автомобиля. К таким машинам предъявляются повышенные требования, касающиеся силы тяги. Передняя и задняя оси не могут быть жестко связаны друг с другом! Во-первых, из-за возрастания нагрузок (что неминуемо при колесной формуле 4Х4), приводящих к поломкам осей. Во-вторых, по причине почти полной потери управляемости машины при такой схеме. Значит, нужен дифференциал, а к нему — блокировка. Представьте себе водителя легковушки, вручную включающего блокировку межосевого дифференциала, когда машина буксует. Абсурд, да и только. На вездеходах и грузовиках с такой системой смириться еще можно.

Отсутствие эффективной межосевой блокировки дифференциала сдерживало серийный выпуск легкового полноприводного автомобиля. На первых полноприводных моделях Ауди 80-х годов стояла система, которая распределяла крутящий момент между осями в соотношении 50:50 с помощью простейшего конического дифференциала. С использованием АБС при такой системе были проблемы, поэтому на первых моделях Ауди есть кнопка отключения этой системы. Вязкостная муфта типа Торсен (многодисковый механизм с высоковязкой кремнийорганической жидкостью) нашла применение на полноприводных легковых машинах позже и с успехом используется по сей день как самый современный механизм приведения в действие привода на все колеса. Главное преимущество межосевого дифференциала с блокировкой в виде муфты Торсен состоит в том, что при нормальных условиях у машины постоянно подключен только один мост. Как только предельное тяговое усилие на нем превышается, блокировка Торсен реагирует на увеличение проскальзывания и начинает передавать крутящий момент ко второму ведущему мосту. Это происходит механическим путем, без вмешательства электроники. Очень важно, что свойства такой блокировки не меняются за весь период эксплуатации. Механизм свободного хода позволяет эффективно использовать систему АБС.

На современных легковых «полноприводниках» применяются также дифференциалы повышенного трения с электронным управлением для работы в широком диапазоне эксплуатационных условий. Например, трогание с места на неоднородной скользкой поверхности требует высокого коэффициента блокировки. Далее при увеличении частоты вращения валов или при достижении предельной величины силы тяги блокирующий эффект дифференциалов снижается.