Перераспределение крутящего момента, отключение дифференциала
Приветствую. На днях в сети появился ролик, в котором Павел довольно грамотно объяснил принципы перераспределения момента по осям автомобиля, но у многих все еще остались вопросы, т.к. ложные пояснения вливались со всех сторон годами, но не каждый готов выделить время на глубокое изучение этой темы.
Так вот, большинство вопросов свелось к тому, как так получается, что именно при открытом дифференциале у нас получается перераспределение момента 50/50, а не при заблокированном, как многие привыкли считать.
Крутящий/вращающий момент — это момент СИЛЫ. Когда у машины вывешено одно из ведущих колес, сила к нему прилагается минимальная. Как ни дави на газ, обороты могут быть большие, а сила — только на преодоление трения в трансмиссии. Происходит перераспределение не момента, а просто вращения. Момент в данной ситуации одинаковый на всех колесах — минимальный. Именно из-за этого машина стоит. На загруженное колесо подается столько же силы, сколько на вывешенное, т.е. чуть больше сопротивления трансмиссии. И дифференциал перераспределяет вращение на то колесо, которому легче вращаться.
Момент двигателя можно сравнить с силой качка. Он может поднять тяжелую штангу, но когда он поднимает просто руку, он не затрачивает силы, а расстояние рукой проходит то-же.
Теперь замкнем дифференциал. У нас получается прямая палка, которая не способна перераспределить скорость вращения. Вывешенному колесу мешает свободно вращаться второе, жестко с ним связанное. Но сопротивления у колеса все так же нет. Машина отталкивается от земли только одним колесом. Вся нагрузка от двигателя идет на одно колесо и на одну полуось. Получаем 100% возможного момента на одно колесо.
Кстати, это и объясняет повышенное внимание при оборудовании мощного внедорожника блокировками. Вы должны понимать, что 7-литровый V8 со всеми блокировками в грязи если сядет всеми колесами и одним поймает сухой асфальт, он даст на него 100% крутящего момента. И тут появляется разница в терминах "крутящий" и "вращающий" момент. Именно "вращающий" момент вращает полуось с колесом, а "крутящий" — термин для скручивания металла полуоси. С очень большой вероятностью, владельцу такого внедорожника "крутящий" момент вылезет довольно наглядно в виде скрученной полуоси.
Именно по этой причине с завода машины очень редко комплектуются межколесными блокировками. Трансмиссия должна быть на много прочнее, чем для авто с межосевым блоком, а вероятность постоянного использования этой блокировки не велика.
Если где ошибся, прошу в комментариях пояснить, с удовольствием поправлю.
И прочных вам полуосей!
Распределение момента (English, Русский)
Распределение крутящего момента (Редактировать)
Попытаемся разъяснить что такое крутящий момент и как толковать его распределение между мостами и колёсами.
Что такое момент? (Редактировать)
Момент силы (синонимы: крутящий момент, вращательный момент, вертящий момент, вращающий момент) — векторная физическая величина, равная произведению радиус-вектора, проведенного от оси вращения к точке приложения силы, на вектор этой силы. Характеризует вращательное действие силы на твёрдое тело.
Представьте, что вы откручиваете гайку гаечным ключом. Усилие, с которым вы тянете гаечный ключ и есть крутящий момент.
Распределение момента «в нормальных условиях» (Редактировать)
Представим автомобиль с постоянным полным приводом, например Subaru Legacy с ручной коробкой передач. Распределение тяги между мостами у этого автомобиля осуществляется в пропорции 50 на 50. Такая пропорция означает, что центральный дифференциал симметричный и усилие, передаваемое на каждый из мостов одинаково. Правда это действительно пока все четыре колеса имеют одинаковое сцепление с дорогой и одинаково нагружены. В идеальных условиях из 100% крутящего момента, производимым двигателем, по 50% уходит на каждую ось, или по 25% на колесо.
Значение распределения момента «в нормальных условиях», приводимое на этом сайте позволяет понять механическую конструкцию центрального дифференциала. В реальности это значение может отличаться.
От этой пропорции зависит поведение автомобиля в скользком повороте, т.е. какой мост получит больше тяги от двигателя. К примеру, BMW с несимметричным дифференциалом с распределением 36/64 будет иметь ярко выраженный заднеприводный характер при прохождении поворотов. Volkswagen с пассивной муфтой Haldex (поколений 1 или 2) в приводе задних колёс и «нормальным» распределением момента 90/10 будет иметь скорее недостаточную поворачиваемость, а при добавлении газа и блокировании муфты до проморции 50/50 сменится на нейтральную, как у Субару.
Понятие «распределение тяги до 100%» (Редактировать)
Что мы имеем в виду когда говорим что тяга может перебрасываться между мостами и достигать 100% на одном мосту? Представим ту же Subaru с «нормальным» распределением 50/50. Теперь представим, что задние колёса оказались на льду, или специально поставлены на ролики либо вывешены в воздухе. Если вы нажмёте на газ, задние колёса попытаются вращаться свободно, не встречая сопротивления. Поскольку сопротивления нет, то и момент, который нужно приложить к колёсам, чтобы заставить их вращаться очень низок. На Subaru используется блокируемый вискомуфтой центральный дифференциал, который тут же блокируется и весь выдаваемый двигателем крутящий момент, т.е. 100% от него, идёт на передний мост а на задних колёсах момент равен нулю. Это имеется в виду когда говориться о переброске момента. Таким образом в нормальных условиях пропорция составляет 50/50, а «перераспределение» крутящего момента между мостами осуществляется от 100/0 до 0/100.
Если предположим вискомуфта неисправна или ещё по какой причине не блокируется полностью, то можно говорить например о распределении момента от 75/25 до 25/75. Т.е. при полном вывешивании одного моста машина может и не поехать, несмотря на полноприводность.
У автомобиля с автоматически подключаемым полным приводом (рассмотрим нормально-переднеприводный автомобиль) в нормальных условиях момент распределяется, к примеру, в пропорции 100/0. Вывешивание задних колёс ничего в этой пропорции не меняет. Но если передние начинают буксовать и муфта привода задних колёс замыкается, распределение тяги становится 50/50, и при полном отсутствии сцепления с дорогой у передних колёс до 100% тяги может быть передано на задний мост. Таким образом пропорция распределения момента меняется от 100/0 до 50/50, а момент измеряемый на мостах может меняться от 100/0 до 0/100.
В данной статье говориться о распределении тяги между мостами, а не между каждым из колёс. Для распределения момента между колёсами одной оси необходим блокируемый межколёсный дифференциал. Чтобы иметь возможность передавать 100% тяги на одно единственное колесо, необходимо иметь блокируемый центральный дифференциал и блокируемые межколёсные дифференциалы в каждом мосту. Как например у Mercedes G-class.
This is a Wiki, so feel free to correct any factual or grammatical error. Test here before posting.
Система активного распределения крутящего момента (ATTS)
Система активного распределения крутящего момента ATTS (Active Torque Transfer System) служит для улучшения управляемости автомобиля.
При повороте автомобиля на колеса автомобиля действуют две главные силы – тяговая, ускоряющая автомобиль и боковая, которая заставляет автомобиль поворачивать. Обе они связаны с силой трения, возникающей в пятне контакта. Сила трения в свою очередь, ограничена лимитированными сцепными свойствами шины и покрытия.
Рассмотрим распределение сил на колесах при повороте автомобиля.
Рис. Распределение сил на колесах автомобиля при повороте:
а) обычного автомобиля; б – автомобиля с системой активного распределения крутящего момента
При повороте из-за действия центробежной силы внутреннее колесо оказывается разгруженным, то есть оно находится в худших условиях по сцеплению с дорогой. Соответственно, уменьшится и та суммарная сила, сложенная из тяговой и боковой, которую может воспринять колесо, и поэтому оно в меньшей степени будет способно ускорять и поворачивать автомобиль. Система ATTS перераспределяет крутящий момент между ведущими колесами, убирая излишек тяговой силы с внутреннего колеса и перебрасывая его на более нагруженное внешнее. В результате у малонагруженной внутренней шины, освобожденной от излишка тяги, появляется больше возможностей для реализации боковой силы, так необходимой в повороте.
Увеличение крутящего момента на наружном колесе позволяет создать дополнительный момент, который стремится «затащить» автомобиль в поворот.
Задача перераспределения крутящего момента не только между левым и правым колесами, но и задней и передней осями, решена компаниями «Хонда» и «Мицубиси».
Система электронного управления включает в себя датчики угла поворота бокового и углового ускорения, скорости вращения колес, частоты вращения коленчатого вала двигателя и давления воздуха на впуске, передаточного отношения в трансмиссии.
Рис. Схема трансмиссии полноприводного автомобиля Mitsubishi Lancer Evolution VIII:
1 – коробка передач; 2 – двигатель; 3 – муфта блокировки межосевого дифференциала; 4 – блок управления дифференциалами; 5 – датчик угла поворота рулевого колеса; 6 – датчик положения дроссельной заслонки; 7 – колесные датчики АБС; 8 – датчики продольного ускорения; 9 – датчики поперечного ускорения; 10 – задний активный дифференциал; 11 – гидронасос с гидроаккумулятором; 12 – лампа стоп-сигнала; 13 – датчик включения стояночного тормоза; 14 – индикатор переключения режимов: асфальт/гравий/снег; 15 – блок управления АБС; 16 – передний дифференциал; 17 – межосевой дифференциал (50:50)
Информация от всех датчиков поступает в ЭБУ, рассчитывает оптимальное распределение крутящего момента по колесам. Далее ЭБУ передает информацию блоку управления дифференциалом для распределения момента между осями и задними колесами в соответствии с условиями движения. На нужную ось он перераспределяет от 30 до 70% момента, на одно из задних колес – от 0 до 100%. В обычных условиях до 70% крутящего момента передается на передние колеса. При больших ускорениях до 70% крутящего момента поступает на заднюю ось для улучшения динамики разгона и одновременной стабилизации движения. При ускорении в повороте почти 100% крутящего момента может передаваться на заднее внешнее колесо. Диаметрально противоположная картина возникает при снижении скорости на изгибе дороги – крутящий момент будет передаваться на внутреннее колесо.
Рис. Траектория движения автомобиля с электронным приводом управляемых колес:
1 – наибольший крутящий момент; 2 – траектория движения автомобиля с электронным приводом управляемых колес; 3 – автомобиля без электронного привода управляемых колес
Существуют различия в приводе дисков сцеплений приводов колес. Компания «Мицубиси» в своих конструкциях применяет электрогидравлический привод, а компания «Хонда» – электромагнитный.
В дифференциале автомобилей «Хонда» применяются электромагнитные многодисковые сцепления 4. Каждое сцепление индивидуально передает крутящий момент к одному из задних колес правому или левому. Встроенные электромагнитные соленоиды 3 изменяют положение сердечника магнита относительно его корпуса. Блок управления дифференциалом, в зависимости от условий движения определяет какой ток подать на магнит – тем самым, сжимая пакеты дисков и плавно меняя распределение крутящего момента. Оба сцепления способны работать независимо друг от друга.
Модули сцепления дополнены собственными планетарными передачами 2.
Вместе с дифференциалом работает ускорительный модуль с гидравлическим приводом (на рисунке не показан), включающий планетарную передачу и передающий крутящий момент на ведущую шестерню гипоидной передачи 1. Этот модуль позволяет сделать более надежным поведение автомобиля в крутых поворотах. Он принудительно «подкручивает» задние колеса в виражах.
В повороте траектория движения внешнего заднего колеса смещается наружу относительно траектории передних колес. Проблема заключается в том, что при традиционной схеме трансмиссии заднее внешнее колесо вращается медленнее передних и тем самым препятствует полноценной передаче мощности. Как результат – ухудшение управляемости и риск заноса. Эту проблему решает ускорительный блок.
Рис. Привод задних колес с электромагнитным сцеплением:
1 – ведущая шестерня гипоидной передачи; 2 – планетарная передача; 3 – соленоид; 4 – многодисковые сцепления
Во время движения по прямой, шестерни планетарной передачи вращаются синхронно с карданным валом – скорость передних и задних колес одинакова. При входе автомобиля в поворот гидравлический привод посредством еще одного, уже третьего по счету модуля сцепления включает планетарную передачу ускорительного модуля в работу, при этом заднее колесо с нужной стороны «подкручивается» до оптимальной скорости.
Блок управления, воспринимая сигнала датчиков, может определять стиль вождения. Когда автомобиль едет прямо, фрикционы разомкнуты и планетарные шестерни системы вращаются вхолостую, дифференциал поровну распределяя идущий от двигателя крутящий момент между ведущими колесами.
Если водитель вводит автомобиль в поворот, держа ногу на педали акселератора реакция электронной системы управления будет отличаться от ситуации, когда автомобиль описывает дугу по инерции или при торможении. При этом один из фрикционов с помощью исполнительного устройства частично или полностью блокируется, при этом крутящий момент на колесах изменяется, что позволяет перераспределить его до 80% с противоположного колеса.
При резком трогании с места у полноприводных автомобилей возникает дефицит крутящего момента на колесах задней оси и избыток – на передней. Чтобы этого не происходило, система оборудована датчиком ускорения, фиксирующим момент, когда необходимо перебросить энергию к задней оси. При спокойном режиме движения больший момент передается на передние колеса, способствуя более стабильному поведению автомобиля.
Дифференциал: распределяем крутящий момент
В конструкции трансмиссии любого автомобиля обязательно присутствует такой составной узел как дифференциал авто. Этот элемент очень важен и выполняет ряд функций, без которых передвижение на авто и его управление было бы очень затруднительным.
Трансмиссия обеспечивает передачу крутящего момента от ДВС на колеса ведущей оси. Но поскольку условия передвижения могут быть самыми различными, необходимо обеспечить распределение подающегося вращения по колесным осям. То есть, нужно сделать так, чтобы колеса приводной оси могли крутиться с разными скоростями.
Если бы приводные колеса были связаны между собой жестко (объединены одной осью), то при определенных условиях возникала бы пробуксовка. Так, при вхождении в поворот колеса перемещаются по разным радиусам, что сказывается на пути, который каждое из них должно пройти. Колесо, перемещающееся по внутреннему радиусу, должно преодолеть значительно меньшее расстояние, чем-то, что идет по внешнему. Жесткая связка колес приведет к тому, что внутреннее колесо будет просто пробуксовывать, поскольку его скорость вращения больше, чем нужна для преодоления пути. А это в свою очередь обеспечивает повышение нагрузки на элементы трансмиссии, ухудшает управляемость, приводит к интенсивному износу шин.
Устранить этот негативный фактор и позволяет дифференциал. Этот узел обеспечивает передачу момента по полуосям, а также крутиться им с различной угловой скоростью.
Принцип работы
Для примера рассмотрим принцип работы самого распространенного типа дифференциала – конического. Состоит такой узел из корпуса, шестеренок, закрепленных на полуосях, а также сателлитов.
Устройство симметричного конического дифференциала
Компоновка дифференциала такая – корпус зафиксирован на ведомом шестеренчатом колесе главной передачи. Внутри него на жестко закрепленных осях расположены сателлиты. Полуоси, передающие вращение на колеса, своими концами заходят в корпус. Полуосевые шестеренки имеют постоянное зацепление с шестернями-сателлитами. В общем, все достаточно просто.
Сателлиты имеют две степени движения. Они зафиксированы на осях в корпусе, поэтому и вращаются вместе с ведомым шестеренчатым колесом главной передачи. Также они могут крутиться и вокруг своей оси.
При прямолинейном передвижении колеса ведущей оси испытывают одинаковое сопротивление, поэтому момент делится по полуосям равномерно. Сателлиты в этом случае вращаются лишь с корпусом, а относительно своих осей они неподвижны.
При вхождении в поворот, колесо, движущееся по внутренней стороне, испытывает повышенное сопротивление, по сравнению с внешним. Поскольку жесткой связи между ними нет, то из-за возникшего сопротивления внутреннее колесо замедляется и возникает разница в угловых скоростях на полуосях. Это приводит к тому, что сателлиты начинают крутиться на осях, передавая больший момент на полуось колеса, движущегося по внешней стороне. То есть, благодаря дифференциалу замедление одного колеса приводит к ускорению второго.
Но в функционировании дифференциала есть один существенный недостаток – при потере сопротивления на одном колесе узел весь крутящий момент подаст на него. В результате, при вывешивании одного из ведущих колес или его попадании на скользкий участок, все вращение пойдет на него, второе же колесо остановиться – автомобиль окажется обездвиженным. Для борьбы с этим негативным качеством используются блокировки, которые предотвращают подачу всего крутящего момента только на одну полуось.
Виды узлов
Выше описан принцип работы дифференциала на примере только одного типа узла. На авто же применяются различные варианты этой составляющей трансмиссии. Все существующие виды дифференциалов можно разделить по ряду категорий:
- Место расположения
- Соотношение моментов при распределении
- Конструкция
- Наличие блокировки
Помимо этого, вместо дифференциалов в конструкции авто могут применяться различные муфты, выполняющие ту же функцию, что и дифференциал. Также современные технологии позволяют полностью отказаться от использования дифференциалов, а их роль выполняют системы безопасности.
Места установки
На легковых авто с одной ведущей осью применяется только один дифференциал. В заднеприводных моделях он располагается в ведущем мосту (там, где установлена главная передача). В переднеприводных же моделях этот узел входит в конструкцию КПП.
Пример компоновки дифференциала в МКПП переднего привода
Поскольку дифференциалы на легковых авто обеспечивают распределение крутящего момента между колесами, то они получили название межколесных.
В полноприводных моделях, в которых ведущими являются обе оси, используется два межколесных дифференциала, по одному на каждый ведущий мост.
Отметим, что в полноприводных моделях есть еще одно место распределения крутящего момента – раздаточная коробка, которая подает вращение на обе оси. И здесь также требуется разделение момента, но в этом случае – между мостами, поэтому в конструкции раздатки также применяется дифференциал, называющийся межосевым.
Виды и расположение дифференциалов в зависимости от привода
На многоосных грузовиках с несколькими ведущими осями есть еще одно место установки дифференциала – между группой приводных мостов. Этот узел носит название центрального.
Распределение моментов
Соотношение моментов при распределении бывает разным – симметричным и несимметричным. Первый вариант описан выше – такой узел при движении на ровном участке дороги распределяет момент одинаково на обе полуоси, а его изменение происходи только при изменении условий движения.
Все межколесные дифференциалы являются симметричными
Несимметричные дифференциалы отличаются тем, что передача вращения между двумя осями осуществляется в определенной пропорции, причем неравной. К примеру, на многих кроссоверах используется межосевой дифференциал с соотношением 40/60. Это означает, что крутящий момент, поступающий на раздаточную коробку, делится и на передний ведущий мост поступает 40% вращения, а на задний – 60%. В этом случае передняя ось является больше вспомогательной, позволяющей повысить проходимость, основным же выступает задний мост.
Несимметричное распределение вращения обеспечивают и муфты, которые устанавливаются вместо межосевого дифференциала. При этом муфты позволяют обеспечивать распределение вращения не в строго заданной пропорции, а в целом диапазоне. То есть, на ряде авто с постоянным полным приводом, в зависимости от условий движения, муфта может менять соотношение от 40/60 до 0/100.
Конструктивное исполнение
Все дифференциалы, используемые на авто, построены по единому принципу – на основе планетарной передачи. Но конструктивных исполнений узла – несколько:
- Конический
- Цилиндрический
- Червячный
- Кулачковый
Виды конструкций дифференциалов
Во всех их, кроме кулачкового, разница сводится только к форме и конструктивному исполнению шестерен.
В конических и цилиндрических дифференциалах используются шестеренки соответствующей формы.
Более интересны в плане конструкции червячный и кулачковый узлы. В первом варианте используется червячное зацепление между сателлитами и полуосевыми шестеренками. Такие дифференциалы получили общее название Torsen. Примечательно, что разработано несколько видов конструкции Torsen. Вариант Т1 отличается тем, что сателлиты в нем располагаются перпендикулярно оси вращения. Во втором варианте – Т2, сателлиты располагаются уже параллельно полуосям. Существует еще один тип червячного дифференциала – Quaife. В нем, как и Torsen Т2, сателлиты расположены параллельно, а отличие сводится к форме самих шестеренок.
В кулачковом узле шестеренок вообще нет. В них основными рабочими элементами выступают специальные сухари, установленные между двумя звездочками (кулачковыми шайбами) – внутренней и наружной. Из-за особенностей функционирования этот узел является – дифференциалом повышенного трения.
Виды блокировки
Как уже отмечено, в дифференциалах есть один серьезный недостаток. И решается он использованием специального механизма – блокировки.
По этому критерию узлы делятся на свободные, самоблокирующиеся и с принудительной блокировкой. Узлы свободного типа не имеют в конструкции какой-либо блокировки, поэтому при создании условий негативное качество сразу же проявляется. Такие узлы обычно используются на легковых авто, предназначенных для использования в городских условиях.
В самоблокирующихся узлах дополнительные элементы в конструкции дифференциала при возникновении ситуации, когда весь момент перебрасывается на одно колесо, замедляют вращение полуоси, тем самым направляя часть вращения на другое колесо. Самым распространенным способом обеспечить самоблокировку, является установка фрикционов. Отметим, что червячные дифференциалы не требуют установки дополнительных узлов, поскольку в червячной передаче присутствует эффект самоторможения, поэтому узлы этого типа сами по себе являются самоблокирующимся.
При принудительной блокировке осуществляется жесткое соединение одной из полуосей с корпусом дифференциала, поэтому при задействовании механизма дифференциал полностью прекращает свою работу, и функционирование ведущего моста осуществляется так, как будто колеса соединены между собой жестко одной осью.
Активный дифференциал
Все перечисленные виды дифференциалов работают полностью самостоятельно и вполне справляются с поставленной задачей. Но конструкторам показалось этого мало, поэтому ими был придуман и создан так называемый активный дифференциал.
В обычных узлах распределение вращения делается пропорционально. То есть, замедление одного колеса приводит к пропорциональному возрастанию вращения на втором. Активный же дифференциал позволяет подкорректировать эти пропорции.
Суть его такова – если при прохождении поворота на наружном колесе сделать скорость вращения больше, чем это обеспечивает дифференциал, то возникает эффект подруливания. За счет этого колесо, идущее по внешнему радиусу, «доворачивает» авто, позволяя ему лучше войти в поворот.
А реализовано это путем установки дополнительных планетарных редукторов на полуоси. Причем эти редукторы срабатывают только в определенные моменты, и для этого дополнительные узлы оснастили муфтами с электроприводом.
Принцип работы активного дифференциала
Суть работы активного дифференциала такова – при вхождении в поворот, на полуоси внешнего колеса срабатывает муфта, включая редуктор. Дополнительная передача обеспечивает повышение скорости вращения полуоси, а соответственно и колеса, и оно начинает «подруливать».
Как видно дифференциалы очень разнообразны, и автопроизводители не останавливаются на достигнутом. От модели к модели повышаются их возможности и пределы, скорость работы постоянно возрастает. В конечном счете это может отразиться на надежности в любую из сторон, но безусловно наш комфорт и безопасность возрастает.