Блокируемый дифференциал: принцип работы и применение

Введение

Механический компонент, который заставляет два колёса на одной оси вращаться синхронно.

Блокируемый дифференциал – это механический компонент, обычно используемый в транспортных средствах, предназначенный для устранения основного недостатка стандартного открытого дифференциала, по сути, "блокируя" оба колеса на оси вместе, как если бы они находились на общем валу. Это заставляет оба колеса вращаться в унисон, независимо от доступного сцепления (или его отсутствия) для каждого колеса в отдельности. Когда дифференциал разблокирован (открытый дифференциал), он позволяет каждому колесу вращаться с разной скоростью (например, при повороте), тем самым избегая пробуксовки шин. Открытый (или разблокированный) дифференциал всегда обеспечивает одинаковый крутящий момент (вращательную силу) каждому из двух колёс на этой оси. Следовательно, хотя колёса могут вращаться с разной скоростью, они прилагают одинаковую вращательную силу, даже если одно из них полностью неподвижно, а другое вращается (равный крутящий момент; неравная скорость вращения). Напротив, заблокированный дифференциал заставляет левое и правое колёса на одной оси вращаться с одинаковой скоростью почти во всех ситуациях, независимо от различий в сцеплении на каждом колесе. Таким образом, каждое колесо может прикладывать столько вращательной силы, сколько позволяет сцепление под ним, и крутящие моменты на каждом полуоси будут неравными. (Неравный крутящий момент, равные скорости вращения). Исключения применяются к автоматическим блокировкам, которые обсуждаются ниже. Заблокированный дифференциал может обеспечить значительное преимущество в сцеплении по сравнению с открытым дифференциалом, но только когда сцепление под каждым колесом существенно различается. Всё вышесказанное применимо как к центральным дифференциалам, так и к дифференциалам на каждой оси: полноприводные автомобили постоянного действия имеют три дифференциала – по одному на каждой оси и центральный (называемый "раздаточной коробкой") между передней и задней осями.

Приложения

Некоторые специальные транспортные средства, такие как эвакуаторы, вилочные погрузчики, тракторы и тяжелая техника, используют блокируемые дифференциалы для поддержания тяги, особенно при движении по мягкой, грязной или неровной поверхности. Блокировки дифференциала широко распространены в сельскохозяйственной технике и военных грузовиках. На некоторых сельскохозяйственных тракторах предусмотрена педаль, которую оператор может нажимать пяткой для блокировки дифференциала при необходимости. Блокировка дифференциала также может использоваться в дрифте как альтернатива дифференциалу повышенного трения. Внедорожники, используемые для езды по бездорожью, часто оснащаются блокируемым дифференциалом, чтобы избежать застревания на рыхлой, грязной или каменистой местности. Блокируемые дифференциалы считаются необходимым оборудованием для серьезного внедорожного вождения. Многие из таких транспортных средств имеют блокируемый дифференциал на центральном дифференциале (между передней и задней осями), заднем дифференциале и переднем дифференциале, или в любой комбинации из них. Блокировки дифференциала также используются на некоторых "неспециализированных" внедорожниках (таких как Mitsubishi Shogun) для компенсации недостаточной артикуляции осей (вертикального хода колес). Большая артикуляция желательна для езды по бездорожью, чтобы колеса могли сохранять контакт с поверхностью на неровных участках, но это может привести к чрезмерным кренам кузова на высоких скоростях на дороге, а также к нечеткому рулевому управлению. Такие автомобили 4x4 часто имеют подвеску, разработанную как компромисс между артикуляцией и управляемостью. Если артикуляция ограничена, одно колесо на оси может быть приподнято над землей на неровной местности, что приводит к потере тяги всеми колесами (вся мощность передается на приподнятое колесо, которое вращается впустую). Задняя блокировка дифференциала часто используется для компенсации этого компромисса: если колесо приподнято, можно активировать блокировку дифференциала, приводя в движение колесо, которое остается на земле.

Автоматические шкафчики

Автоматические блокировки блокируют и разблокируют автоматически, без непосредственного участия водителя. Некоторые конструкции автоматических блокирующих дифференциалов обеспечивают постоянную передачу мощности двигателя на оба колеса, независимо от условий сцепления, и "разблокируются" только тогда, когда одному колесу необходимо вращаться быстрее другого при повороте. Правильнее называть их автоматическими разблокирующими дифференциалами, поскольку их исходное положение – заблокировано. Они никогда не позволят ни одному колесу вращаться медленнее, чем дифференциал или ось в целом, но позволят одному колесу вращаться быстрее скорости дифференциала. Наиболее распространенным примером является Detroit Locker производства Eaton Corporation, также известный как Detroit No Spin, который заменяет всю сборку дифференциала. Другие, иногда называемые "ланчбоксами", используют штатную корзину дифференциала и заменяют только внутренние шестерни и валы на блокирующие пластины. Оба типа автоматических блокировок допускают некоторую разницу в скорости вращения колес при поворотах в условиях одинакового сцепления, но в противном случае блокируют оба полуоси вместе, когда это необходимо для обеспечения тяги. Преимущества: автоматическая работа, нет необходимости останавливаться для включения или выключения при изменении дорожных условий. Недостатки: повышенный износ шин и ощутимое влияние на управляемость. При повороте, какая именно полуось раскручивается, зависит от направления крутящего момента, передаваемого трансмиссией. При изменении направления крутящего момента скорость трансмиссии внезапно перераспределяется с внутренней полуоси на внешнюю, что сопровождается проскальзыванием шин и резким рывком. Во время поворотов автоматическая блокировка характеризуется выраженной недостаточной поворачиваемостью, которая мгновенно переходит в избыточную поворачиваемость при превышении сцепления. Некоторые другие автоматические блокировки работают как открытый дифференциал до тех пор, пока не возникает пробуксовка колес, после чего они блокируются. В таких конструкциях обычно используется внутренний регулятор для контроля скорости автомобиля и пробуксовки колес. Примером является автоматический блокирующий дифференциал Eaton (ALD) или автоматический дифференциальный замок Eaton (ADL), разработанный Eaton Corporation и представленный в 1973 году для пикапов и внедорожников GM Rounded Line C/K Series. Eaton ADL иногда ошибочно называют Gov Lok, хотя ни GM, ни Eaton никогда не называли его так. Gov Lok – это неофициальное название неизвестного происхождения, которое со временем стало популярным. Ни Eaton, ни GM не знают, откуда взялось это название, и Eaton неоднократно безуспешно пыталась опровергнуть его. Обновленная версия старой конструкции Eaton ADL по-прежнему доступна от Eaton под названием Eaton mLocker – механический дифференциальный замок. Некоторые другие автоматические блокировки работают как открытый дифференциал до тех пор, пока не будет приложен высокий крутящий момент, после чего они блокируются. В таких конструкциях обычно используются внутренние зубчатые передачи с очень высоким трением. Примером является тип скользящих штифтов и кулачков ZF, доступный для использования в ранних моделях Volkswagen.

Automatic lockers lock and unlock automatically with no direct input from the driver. Some automatic locking differential designs ensure that engine power is always transmitted to both wheels, regardless of traction conditions, and will "unlock" only when one wheel is required to spin faster than the other during cornering. These would be more correctly termed automatic unlocking differentials, because their at rest position is locked. They will never allow either wheel to spin slower than the differential carrier or axle as a whole, but will permit a wheel to be over driven faster than the carrier speed. The most common example of this type would be the Detroit Locker, made by Eaton Corporation, also known as the Detroit No Spin, which replaces the entire differential carrier assembly. Others, sometimes referred to as lunchbox lockers, use the stock differential carrier and replace only the internal spider gears and shafts with interlocking plates. Both types of automatic lockers will allow for a degree of differential wheel speed while turning corners in conditions of equal traction, but will otherwise lock both axle shafts together when traction conditions demand it. Pros: Automatic action, no stopping for engagement or disengagement is necessary when road conditions change. Cons: Increased tire wear and noticeable impact on driving behaviour. During cornering, which half axle is uncoupled is dependent on torque direction applied by the driveline. When the torque direction is reversed, the speed of the driveline is suddenly forced to change from the inner to the outer axle, accompanied by tire chirping and a strong jerk. During cornering, the automatic locker is characterized by heavy understeer which transitions instantly to power oversteer when traction is exceeded. Some other automatic lockers operate as an open differential until wheel slip is encountered and then they lock up. These types generally use an internal governor to monitor vehicle speed and wheel slip. An example of this is the Eaton automatic locking differential (ALD), or Eaton automatic differential lock (ADL), developed by the Eaton Corporation and introduced in 1973 for GM's Rounded Line C/K Series pickups and utilities. The Eaton ADL is sometimes incorrectly called the Gov Lok, despite neither GM nor Eaton ever calling it by that name. Gov Lok is rather an unofficial name of unknown origin that gained popularity over the years. Both Eaton and GM do not know where the name came from, and Eaton has made several unsuccessful attempts in the past to debunk the Gov Lok name. An updated version of the old Eaton ADL design is still available from Eaton, now known as the Eaton mLocker mechanical differential lock. Some other automatic lockers operate as an open differential until high torque is applied, at which point they lock up. This style generally uses internal gears systems with very high friction. An example of this is the ZF sliding pins and cams type available for use in early Volkswagens.

Выбираемые шкафчики MRT

Выбираемые блокировки дифференциала позволяют водителю блокировать и разблокировать дифференциал по своему усмотрению прямо из кабины. Это может быть реализовано различными способами. Сжатый воздух (пневматика). Механизм с тросовым приводом, как в "Ox Locker". Электронные соленоиды и (электромагнитные) системы, такие как "ELocker" от Eaton. Однако производители оборудования (OEM) начинают предлагать электронные блокировки. Электрическую блокировку дифференциала от Nissan Corporation можно найти в качестве опции для Frontier (Navara), Xterra и Titan. Ford предлагает электронную блокировку заднего дифференциала на грузовиках серий F и Ranger, а также на полноразмерном Bronco. В настоящее время Toyota предлагает заднюю электронную блокировку на Tacoma, 4Runner и Tundra (2022+) (только в комплектациях TRD Off Road и TRD Pro), но ранее также предлагала передние и задние электронные блокировки на таких автомобилях, как Land Cruiser. Преимущества: позволяет дифференциалу функционировать как "открытый" дифференциал для улучшения управляемости и маневренности, и обеспечивает полную блокировку при необходимости. Недостатки: Механически сложная конструкция с большим количеством деталей, подверженных поломкам. Некоторые блокировки требуют полной остановки автомобиля для активации. Требуется участие водителя и прогнозирование характера местности. Неопытные водители часто создают чрезмерную нагрузку на компоненты трансмиссии, оставляя дифференциал заблокированным на местности, где блокировка не требуется.

Катушка

Катушка или полная катушка (в отличие от мини-катушки) – это устройство, которое соединяет оба полуоси напрямую с главной шестерней. Отсутствует межколесная дифференциация, поэтому автомобиль, оснащенный катушкой, будет пробуксовывать на поворотах и может стать неуправляемым на мокрой или заснеженной дороге. Катушки обычно используются в гоночных автомобилях, не предназначенных для эксплуатации на дорогах общего пользования. Мини-катушка использует штатный корпус дифференциала и заменяет только его внутренние компоненты, что аналогично установке локер-дифференциала типа "ланчбокс". Полная катушка заменяет всю сборку корпуса дифференциала на цельную обработанную деталь. Полная катушка, пожалуй, является самым надежным способом блокировки оси, но полностью исключает возможность разной скорости вращения колес, создавая высокую нагрузку на все компоненты трансмиссии. Внутренние шестерни открытого дифференциала также можно сварить вместе для создания заблокированной оси, однако этот метод не рекомендуется, так как процесс сварки серьезно ухудшает металлургические свойства сварных деталей и может привести к поломке узла при нагрузке.

Недостатки

Поскольку они работают не так плавно, как стандартные дифференциалы, автоматические блокируемые дифференциалы часто приводят к повышенному износу шин. Некоторые старые автоматические блокируемые дифференциалы известны тем, что издают щелчки или стуки при блокировке и разблокировке во время поворотов. Это раздражает многих водителей. Автоматические блокируемые дифференциалы также влияют на управляемость автомобиля, особенно если блокировка установлена на передней оси. Помимо пробуксовки шин при любом повороте на поверхностях с высоким сцеплением (и низким скольжением), заблокированные оси вызывают недостаточную поворачиваемость и, при использовании на передней оси, увеличивают усилие, необходимое для поворота. Кроме того, автоматические блокируемые дифференциалы могут привести к потере контроля на льду, где открытый дифференциал позволил бы одному колесу прокручиваться, а другому сохранять сцепление, не передавая при этом крутящий момент. Например, автомобиль, припаркованный боком на скользком склоне. Когда оба колеса начинают прокручиваться, автомобиль теряет сцепление с дорогой и скатывается вниз.

Альтернативы

Дифференциалы с ограниченным скольжением (LSD) считаются компромиссом между стандартным и блокируемым дифференциалами, поскольку они работают более плавно и передают больший крутящий момент на колесо с лучшим сцеплением по сравнению со стандартным дифференциалом, но не обеспечивают 100% блокировки. Системы контроля тяги также широко используются в современных автомобилях, как в дополнение к блокируемым дифференциалам, так и вместо них. Примеры включают: электронную блокировку дифференциала Volkswagen (EDL), TC+ от Opel, впервые установленную на Opel Astra G (2001) и т.д. Фактически, это не блокировка дифференциала, а система, работающая на каждом колесе индивидуально. Датчики контролируют скорость вращения колес, и если одно из них вращается быстрее другого более чем на заданное количество оборотов в минуту (например, 100), то есть пробуксовывает, система контроля тяги кратковременно тормозит его. Это перенаправляет больше мощности на другое колесо, но при этом используется открытый дифференциал, аналогичный тому, что установлен на автомобилях без опции EDL. Если все ведущие колеса теряют сцепление, может быть автоматически применено ограничение дроссельной заслонки. Электронные системы контроля тяги могут быть интегрированы с антиблокировочными системами тормозов (ABS), которые оказывают схожее тормозное воздействие и используют некоторые общие компоненты. Такие системы применяются, например, на последних моделях Nissan Pathfinder, Land Rover Defender, Land Rover Freelander, McLaren P1 и McLaren 650s. Заварной дифференциал (обычно называемый "заварным дифференциалом") представляет собой открытый дифференциал, шестерни которого сварены вместе, чтобы функционировать как единое целое, исключая дифференциальную функцию. Это недорогое решение для бездорожья или дрифта. Индивидуальный привод колес (IWD) предполагает использование отдельных двигателей, моторов и/или коробок передач для каждого колеса автомобиля, что устраняет необходимость в распределении крутящего момента с помощью компонентов трансмиссии от центрального источника.