Как работают блокировки дифференциала и дифференциал ДАК 

       Дифференциал - механизм автомобиля, который обеспечивает возможность колесам ведущей оси вращаться с разной скоростью, что необходимо для  маневрирования автомобиля. Но обычный (открытый) дифференциал имеет и ряд серьезных недостатков:

- передает мощность только в случае наличия опоры под обоими колесами;

- передает мощность только в количестве удвоенной мощности, которую способно реализовывать «слабое» колесо (т.е. колесо, менее нагруженное моментом сопротивления качению);

- допускает увеличение угловой скорости «слабого» колеса до двух скоростей корпуса дифференциала.

       Перечисленные недостатки открытого дифференциала приводят к следующему:

- при потере опоры одним из ведущих колес  мощность двигателя не может быть реализована через ведущие колеса, т.е. автомобиль не может двигаться;

- мощность двигателя при незначительном ухудшении дорожных условий реализуется через «слабое» колесо, которое имеет худшие условия сцепления с дорогой;

- скорость вращения ведущих колес не имеет прямой зависимости от скорости вращения коленчатого вала двигателя. Это означает. Что водитель  не контролирует поведение автомобиля в полной мере, особенно на скользкой дороге.

       Современное военное и гражданское автомобилестроение развивается по пути увеличения удельной мощности силовых установок. Но реализация больших мощностей сдерживается двумя факторами:

1 -  свойствами шин ведущих колес.

2 - свойствами трансмиссии (свойствами дифференциала).

       Сравним  на примерах, как реализуют мощность разные конструкции дифференциалов в одинаковых условиях.

       Итак, автомобиль равномерно движется по прямому участку дороги. Левое колесо на асфальте (коэффициент сцепления Y=0,8), правое - на обледенелой обочине (коэффициент сцепления Y=0,1), рисунок 1.

Как будут вести себя автомобили, оснащенные разными типами дифференциалов?

 Рис. 1. Дорожная ситуация

Классический (открытый) дифференциал

       Представим мощность в относительных единицах через коэффициент сцепления. Значения всех величин в  формулах приравняем единице (кроме коэффициента сцепления). Реализуемая мощность N=0,1+0,1=0,2, рисунок 2.

- когда тяга двигателя не превышает 0,2, то колеса вращаются с одинаковой скоростью и автомобиль движется прямолинейно;

- когда тяга превышает 0,2, то «слабое» колесо увеличивает обороты относительно корпуса дифференциала (пробуксовывает) и, соответственно, «сильное» колесо (т.е. колесо, более нагруженное моментом сопротивления качению) уменьшает свою угловую скорость. Автомобиль, кроме потери скорости, ещё теряет и курсовую устойчивость.

 Рис. 2. Открытый дифференциал

Дифференциал повышенного трения с постоянным моментом внутреннего сопротивления (блокировка с преднатягом)

       Допустим, что момент внутреннего сопротивления (преднатяг) в относительных единицах равен 0,2. Реализуемая мощность N=0,1+0,1+0,2=0,4, рисунок 3.

- если тяга двигателя не превышает значения 0,4, то колеса вращаются с одинаковой скоростью и автомобиль движется прямолинейно;

- если тяга превышает значение 0,4, то «слабое» колесо увеличивает обороты относительно корпуса дифференциала (пробуксовывает), и, соответственно, «сильное» колесо уменьшает свою угловую скорость. Автомобиль, кроме потери скорости, также теряет курсовую устойчивость.

 Рис. 3. Дифференциал повышенного

            трения

Принудительная блокировка

Полуоси жестко заблокированы. N=0,1+0,8=0.9, рисунок 4.

- если тяга двигателя не превышает значения 0,9, то колеса вращаются с одинаковой скоростью -  автомобиль движется прямолинейно;

- если тяга превышает значение 0,9, то колеса пробуксовывают, но вращаются с одной скоростью, автомобиль не теряет курсовой устойчивости, а водитель полностью контролирует поведение автомобиля. Но автомобиль движется только прямо.

 Рис. 4. Принудительная блокировка

Дифференциал ДАК

N=0,1+0,8=0,9,  рисунок 5.

- в случае, если тяга двигателя не превышает значения 0,9, то колеса вращаются с одинаковой скоростью. Автомобиль движется прямолинейно;

- если тяга превышает значение 0,9, то колеса пробуксовывают, но вращаются с одинаковой скоростью, автомобиль при этом не теряет курсовой устойчивости, а водитель полностью контролирует поведение автомобиля. Автомобиль может маневрировать.

 Рис. 5. ДАК

       Из приведенных схем видно, что мощность  двигателя не может быть реализована полностью, если автомобиль имеет штатный дифференциал. Более полно мощность реализует автомобиль с дифференциалом повышенного трения.

       А принудительная блокировка и ДАК реализуют мощность двигателя в полном объеме. В случаях с принудительной блокировкой и ДАК ограничением реализации мощности двигателя является  качество шин колес.

Идеальная блокировка

На сегодняшний день нет универсальной (идеальной) блокировки. Точнее сказать нет идеального дифференциала. Такого дифференциала, который бы правильно работал на асфальте в городских условиях, на скоростных трасах, на бездорожье легком и серьезном, на скользкой дороге.

Какой же он должен быть этот идеальный дифференциал? Попробуем сформулировать основные требования к нему.

1.       Он  должен обеспечивать вращение колес с разной скоростью. Наиболее наглядно это проявляется в  поворотах. С этой задачей успешно справляется обычный свободный, «классический» дифференциал, который стоит на абсолютном большинстве автомобилей.

2.       Идеальный дифференциал должен гарантированно передавать мощность на оба колеса в плохих дорожных условиях, то есть на бездорожье. Весьма желательно, что бы он имел коэффициент блокировки 100%, что необходимо для преодоления диагонального вывешивания.

3.        Дифференциал должен быть автоматическим. Водитель не должен отвлекаться на переключение режимов одного из многочисленных механизмов автомобиля. Представьте себе ситуацию, когда водитель в ручном режиме переключает режимы работы двигателя, например опережение зажигания. А такая ручная система применялась на автомобилях. Ручное управление блокировкой дифференциала такой же архаизм, как ручное управление зажиганием.

4.       Идеальный дифференциал должен переключать режимы мгновенно. Дорожные условия меняются очень быстро. Если автоматический дифференциал не будет успевать за изменением дорожных условий, то его работу нельзя назвать оптимальной. Это требование очень важно для обеспечения устойчивости и управляемости автомобиля на скользких покрытиях.

5.       Кроме скорости переключения режимов, дифференциал должен быстро «читать» изменения дорожных условий.

Например, как работают современные электронные системы устойчивости автомобиля? Они начинают действовать от сигналов датчиков скорости вращения колёс.  Когда одно из колёс набирает бОльшую скорость, система включается в работу.  Но, если колесо набрало эту самую скорость, то действия системы уже не своевременны. Такие системы «гасят пожар», а не работают на его недопущение.

6.       Конечно, идеальный дифференциал должен быть надежным. «Живучесть» узла обеспечивает не столько его массивность  (чем толще, тем лучше), сколько наличие механизма защиты.

 Например, ручная 100%-ая блокировка не имеет механизма защиты. Если водитель забыл выключить её на асфальте, то она обязательно сломается. Механизм защиты принудительной блокировки находится в голове водителя. Согласитесь, не самый оптимальный вариант.

Другой пример, блокировки локрайт или локка считаются весьма прочными. Да, они имеют хорошую «толщину», так как они являются зубчатыми муфтами. В зубчатых муфтах в отличие от зубчатых передач в зацеплении находятся все зубья. Кроме этого они обладают весьма «хитрым» механизмом защиты. Автомобиль, оснащенный такими муфтами, именно муфтами, дифференциалом их назвать нельзя, не должен эксплуатироваться на больших скоростях.  Иначе велик риск потери контроля над автомобилем.  Ограничение скорости автомобиля – это и есть очень эффективный механизм защиты блокировки. 

      Несколько слов о ДАКе. Насколько полно дифференциал ДАК отвечает требованиям к идеальной блокировке?  Рассмотрим по пунктам.

            Способность дифференцировать

ДАК правильно работает в режиме дифференцирования. Он не имеет преднатяга. Позволяет колесам вращаться с разной скоростью в тот момент, когда автомобиль поворачивает. Для успешного прохождения поворота водитель должен «переключить» ДАК в режим дифференцирования, то есть двигаться по дуге поворота нужно, на так называемой, «средней тяге» без разгона и торможения двигателем. Если поворот проходить на тяге, активно ускоряясь, то ДАК будет блокироваться, при этом колеса будут вращаться с одинаковой скоростью. Траектория поворота будет спрямляться, руль станет более «тяжелым». В такой ситуации водитель интуитивно сбрасывает «газ», ДАК мгновенно разблокируется, автомобиль возвращается на дугу поворота. Требование прохождения поворота на средней тяге общее для всех типов самоблоков.

Надо отметить, что дифференцирование и блокировка – это два противоположенных процесса. Объединить их в одном механизме – это непростая задача. Но, решение есть. Нужно обеспечить быстрое переключение режимов, таким образом, механизм сможет приспособиться и отработать любые дорожные условия. 

             Способность блокироваться

 Дорожные условия не всегда бывают идеальными, особенно там, где дорог нет совсем, на бездорожье. Здесь важна способность дифференциала блокироваться: отключать режим дифференцирования и включать режим блокирования.

Например, заварка дифференциала или принудительная блокировка. В этом случае не важно, под каким колесом лед, под каким твердый грунт, автомобиль будет  двигаться. Даже при полностью вывешенном ведущем колесе, мощность двигателя будет реализована через сильное колесо. На такое способна только 100% - ая блокировка.    Но надо сказать о важном моменте, о возможности автомобиля маневрировать. Для того, что бы автомобиль мог легко повернуть необходимо блокировку перевести в режим дифференцирования. Заварку мы не сможем отключить в принципе. Принудительную блокировку можно отключить, для этого придется остановить автомобиль. Современные электрические блокировки способны переключиться без остановки автомобиля.

           Автоматизм блокировки   

Очень популярна принудительная блокировка. Она имеет коэффициент блокирования 100%, гарантированно преодолевает вывешивание. Её работа предельно понятна водителю: включил-выключил. Но, так ли все оптимистично? Такая блокировка не используется, например, в скоростных дисциплинах: шоссейных гонках, гонках на льду, ралли и т.д. Она используется в офф-роуде, где можно не спеша её включить перед препятствием, преодолеть препятствие и желательно сразу выключить, иначе велик риск поломки. С такой блокировкой, когда она включена, трудно маневрировать, а на косогорах или в болоте вообще невозможно. Такая блокировка не улучшает устойчивость автомобиля на скользкой дороге, в этих условиях блокировка должна быть выключена, работает свободный дифференциал.

Напротив, автоматическая блокировка дифференциала позволяет спокойно маневрировать. Нет никаких ограничений в скоростных дисциплинах, не считая, конечно, такие  самоблоки как локрайт или локка. На скользкой дороге автоматическая блокировка сильно изменит поведение автомобиля, особенно заднеприводного. Автомобиль не будет «мести хвостом» при разгоне, будет устойчив на дороге. Повороты можно проходить как на обычном дифференциале. Для этого достаточно выйти на режим средней тяги.

Или специально пустить автомобиль в управляемый занос.   Этот занос контролируется водителем простым действием  - управлением тягой двигателя. Никаких экзотических приёмов по управлению автомобилем на льду как, например, с заваркой не нужно. Вождение заднеприводного автомобиля на скользкой дороге понятно и комфортно.

            Быстрота переключения режимов

 Это свойство дифференциала обеспечивает способность качественной отработки постоянно меняющихся дорожных условий. Например, в повороте дифференциал должен быть разблокирован. При разгоне автомобиля на прямом участке, для обеспечения курсовой устойчивости автомобиля, напротив, заблокирован. На сложной дороге, где один поворот переходит в другой поворот, скорость переключения должна быть соответствующей.

 Другой пример. Дорога с переменным покрытием, сухой асфальт с пятнами льда. В этом случае требование к скорости переключения режимов блокировки ещё выше. Дифференциал должен мгновенно переключать режимы, на асфальте один режим, на льду другой.

Если дифференциал не способен быстро переключать режимы, то он не сможет обеспечить устойчивость автомобиля на скользкой дороге. Пример, муфты  локрайт, локка на скользкой дороге вообще не способны разблокироваться.  Соответственно, автомобиль с такой блокировкой на скользкой дороге крайне неустойчив. 

            Идеальный дифференциал должен «уметь читать дорогу»

 Он должен снимать информацию о мгновенно меняющихся дорожных условиях и как можно быстрей реагировать на эти изменения. Мы уже говорили о том, как работают современные электронные системы устойчивости автомобиля, их иногда называют электронной блокировкой. Такие системы информацию получают от датчика скорости. Т.е. колесо должно начать вращаться с большей скорость, это изменение скорости зафиксирует датчик и только после этого компьютер подаст команду исполнительному механизму на блокировку дифференциала. Вот сколько событий должно произойти, на каждое из них требуется время, пусть доли секунды. Принципиально то, что электронная система начинает действовать только после того, как колесо начало буксовать. А это значит, что автомобиль уже потерял устойчивость на льду или сорвал поверхностный слой на болоте. Изба уже загорелась, пора бежать за водой.

Идеальная блокировка должна среагировать раньше того, как слабое колесо начнет набирать скорость, пробуксовывать. Идеальная система должна не допускать «пожара».

          Надежность блокировки

Это самый важный вопрос для водителя. Как долго может проехать автомобиль без ремонта блокировки дифференциала, какие нагрузки она выдержит, насколько большие колеса можно поставить на автомобиль?  

 Надежность любого устройства определяет два основных фактора: запас прочности конструкции (толщина деталей) и наличие механизма защиты «от дурака».

С первым фактором понятно. Чем толще, тем лучше. Но, даже самая толстая деталь уязвима. Нет такой детали, которую нельзя было бы сломать.

Более важный фактор это наличие механизма защиты. При возникновении предельных нагрузок должен быть некий предохранитель, например такой же, как в электрических сетях, который предотвратит разрушение.   

Свободный дифференциал абсолютный лидер по надежности. Это потому, что он обладает прекрасным механизмом защиты. Эго работа через слабое колесо. Он нагружается тем моментом, который способно передать колесо, имеющее худшие сцепные свойства в данный момент времени. Свободный дифференциал всегда сбросит динамическую нагрузку в пробуксовку слабого колеса.

Принудительная блокировка, которая приводится в действие с помощь электрической бортовой сети, при скорости более 30 км в час автоматически отключается. У других типов принудительных блокировок механизм защиты находится в голове водителя. Автопроизводители так же защищены этим механизмом. Если потребитель предъявляет претензию по поводу поломки блокировки, автопризводитель справедливо имеет возможность сослаться на несоблюдение правил эксплуатации.

Конструкция самоблоков квайф или торсен 2 имеют невысокий коэффициент блокировки, который является ограничителем предельного момента.

У ДАКа  механизм защиты, к сожалению  для производителя, так же находится в голове водителя. Если водитель не включает голову, ДАК выходит из строя.

Самый изощренный механизм защиты у блокировок локрайт и локка. Автомобиль, оснащенный такой блокировкой должен эксплуатироваться с большой осторожностью, предельная скорость автомобиля не должна превышать 80 км в час. Если вдруг водитель решил немного погонять, блокировка моментально остудит его пыл неадекватным поведением автомобиля. 

Можно ли сделать идеальную блокировку? Наш ответ: ВОЗМОЖНО. Для этого нужно создавать принципиально новые конструкции.

 К сожалению, большинство отечественных производителей дифференциалов и блокировок подходят к вопросу иначе, осуществляют «импортозамещение», копируют зарубежные конструкции. В лучшем случае, создают конструкции на известных стандартных решениях.