Що таке блокування диференціалів? Принцип, плюси і мінуси
Блокування диференціала є одним з найбільш ефективних способів підвищення прохідності колісної машини. У будь-якому автомобілі, призначеному для експлуатації на бездоріжжі і має міжосьовий диференціал, конструктори обов'язково запроваджують механізм його блокування. Іноді машину оснащують механізмом, блокуючим міжколісний диференціал заднього моста, і вкрай рідко - блокуючим диференціал переднього моста (і на те є серйозні причини).
Блокування диференціала, як будь-яке технічне рішення, має свої переваги і недоліки. Щоб розібратися, в яких випадках потрібно використовувати блокування, а в яких її використовувати не можна, потрібно для початку зрозуміти принципи, на яких грунтується її дію, і розібратися, що ж змінюється при блокуванні цього таємничого механізму силового приводу автомобіля, ім'я якому диференціал.
Як воно працює (трохи спрощено).
Спробуйте взимку стрибнути в довжину з місця. Ви розставляєте ноги на ширину плечей, сгибаете їх в колінах, переносите центр ваги вперед, відштовхуєтеся і ... нічого не відбувається.
Виявляється, ваша права нога випадково опинилася на слизькому льоду, в той час як ліва на сухому асфальті. Через це хороший стрибок не вийшов: права нога прослизнула назад, і від несподіванки ви не встигли вкласти всю «толчковую» силу в ліву ногу. Підсумок комічний: ноги роз'їхалися взад-вперед і ви ледь не впали.
Як же бути в даних обставинах, щоб забезпечити ногам можливість добре відштовхнутися?
Дуже просто, потрібно зв'язати їх між собою, наприклад, стягнути широким ременем. Тепер дві ноги перетворилися як би в одну поштовхову ногу, будуть працювати спільно, і максимально використовують для розвитку сили поштовху силу свого зчеплення з опорною поверхнею. Точно такий же процес відбувається при взаємодії ведучих коліс автомобіля з дорогою.
Уявімо, що умовний задньопривідний автомобіль випадково зупинився так, що його праве колесо потрапило на лід, а ліве знаходиться на асфальті. Як відомо, звичайний міжосьовий диференціал малого тертя, що знаходиться в задньому мосту, завжди підводить до коліс рівне зусилля (окружну силу). Праве колесо на льоду не може відштовхнутися від опорної поверхні з великою силою, зчеплення недостатнє. Через це диференціал не може підвести до нього велику силу, це фізично неможливо. А раз так, то він і до лівого колеса, що знаходиться на асфальті, підведе таку ж низьку силу, як і до колеса на льоду. Він вирівняє зусилля, що розподіляються між колесами, «орієнтуючись» на праве колесо. Через це автомобіль зрушить з місця повільно і з пробуксовкою правого колеса, його колеса «роз'їдуться» і не зможуть використовувати для гарного «поштовху» наявну силу зчеплення лівого колеса, яка в даних конкретних умовах буде за значенням приблизно в сім разів вище, ніж у правого. Але через властивості диференціала «ділити порівну» ліве колесо використовує для створення тягової сили (сили, що штовхає автомобіль вперед) лише 1/7 частина сили свого зчеплення з асфальтом. Простіше кажучи, воно б могло відштовхнутися в 7 разів могутніше, але диференціал не підвів до нього достатню силу, щоб це зробити.
Значить потрібно, як і при стрибку людини з місця, міцно зв'язати колеса між собою, щоб вони оберталися або буксували спільно, немов єдине колесо.
Для цього завдання застосовують спеціальний механізм, який не дає обертатися шестерням диференціала, блокує їх і пов'язує два колеса між собою жорсткою зв'язком, забезпечуючи їх постійне обертання з однаковою кількістю оборотів. Він називається «механізм блокування (відключення) диференціала», або в просторіччі - блокуванням. Заблокований (вимкнений) диференціал не має можливості вирівнювати зусилля між колесами, вони стають пов'язаними між собою єдиною віссю, в результаті до кожного з них через деталі силового приводу може бути підведена максимально можлива сила, граничне значення якої буде визначатися силою зчеплення кожного з коліс з опорною поверхнею. Де зчеплення краще - туди і буде прикладена велика сила.
Основна мета блокування диференціала - забезпечення ведучих коліс можливості повного використання сили зчеплення з опорною поверхнею для створення тягової сили, необхідної для поступального руху автомобіля.
Механізми блокування диференціалів можуть бути самих різних конструкцій, але їх завдання однакова: зв'язати провідні колеса між собою, забезпечуючи їх нероздільне обертання.
Коли потрібно блокувати диференціал (включати блокування).
З вищевикладеного очевидно, що найбільша ефективність від блокування диференціала проявляється в умовах, коли має місце суттєва різниця в величинах сил зчеплення коліс, між якими він встановлений. Сила зчеплення визначається твором частини від загальної ваги автомобіля, що припадає на колесо, і коефіцієнта зчеплення шини з дорогою. Звідси очевидно, що найбільша ефективність від блокування міжколісного диференціала буде у випадках повного відриву колеса від опорної поверхні, що іноді виникає при проїзді через гребневиє перешкоди (т.зв. «діагональне вивішування). Також блокування істотно підвищує прохідність при нерівномірно розподіленому між колесами моста вазі, наприклад, коли колеса однієї сторони сповзли в глибоку глинисту колію, а інший - йдуть вище по сухій поверхні, або при струганні машини від узбіччя, коли колеса однієї сторони знаходяться на слизькій поверхні, а інший - на асфальті. Відповідно чим менше різниця сил зчеплення коліс моста, тим менше користь від блокування диференціала.
Блокування міжосьового диференціала необхідно при істотній різниці сил зчеплення коліс переднього і заднього мостів, наприклад, коли при розвороті машини одне з коліс заднього моста заїхало в канаву з водою (або на мокрий суглинок), в той час як інші колеса знаходяться на сухій поверхні. Або при струганні з місця в умовах бездоріжжя, коли хоча б одне з коліс має хороше зчеплення з грунтом, оскільки сумарна тягова сила всіх 4-х коліс автомобіля при незаблокованому симетричному міжосьовому диференціалі дорівнює учетверенному значенням тягової сили колеса, що має найнижче зчеплення. Варто забуксували лише одному колесі, і тягова сила інших трьох різко знизиться.
Іншим випадком є рух на крутий підйом, коли вага між мостами автомобіля розподілено нерівномірно.
Важко звести докупи всі ситуації, та й не має сенсу. Простіше керуватися нехитрим правилом: ПЕРЕД тим, як з'їхати на бездоріжжя, потрібно заблокувати міжосьовий диференціал. Якщо передбачається подолання ділянки важкого бездоріжжя, потрібно заздалегідь заблокувати задній міжколісний диференціал.
Передній міжколісний диференціал потрібно блокувати (якщо є така можливість) у виняткових випадках і тільки при прямолінійному русі.
Також очевидна необхідність блокування диференціалів при спробі вийти із засідки, коли автомобіль вже застряг.
Необхідно усвідомлювати, що блокування диференціала не збільшує силу зчеплення колеса з дорогою, а лише надає можливість колесу повністю використовувати цю силу для створення тягового зусилля. Силу зчеплення колеса з деформується грунтом можна збільшити лише застосуванням шини з позашляховим протектором; зниженням тиску повітря в шині; одяганням ланцюги проти ковзання; підкладенням під колесо різних предметів з високими фрикційними властивостями, а також збільшивши вагу, що припадає на колесо (останній спосіб найменш ефективний).
Потрібно розуміти, що наявність в провідних мостах механізмів блокувань диференціалів не перетворить автомобіль в всюдихід, який з легкістю пройде по будь-якому бездоріжжю. Блокування диференціала є лише один з численних способів підвищення прохідності, і якщо на провідному мосту автомобіля, укомплектованого штатної «всесезонкой», будуть буксувати два колеса, цей зовсім не означає, що тягова сила моста буде в два рази вище в порівнянні з буксуванням тільки одного колеса .
Запорукою гарної прохідності автомобіля насамперед є наявність спеціалізованих позашляхових шин, великий дорожній просвіт і інші показники профільної прохідності, а також конструкція підвіски, що забезпечує великі ходи коліс.
Недоліки блокувань диференціалів.
Шлях, по якому йде автомобіль на бездоріжжі, має кривизну в плані і профілі, обумовлену зміною траєкторії руху, що задається рульовим керуванням, і нерівностями хвилястого характеру, тобто буграми і западинами. Через це кожна з коліс моста за одну одиницю часу проходить різний шлях, отже, одне з коліс на одному часовому проміжку має обертатися з великим (меншим) числом оборотів, ніж інше. Особливо сильно дане швидкісне (кінематичне) невідповідність проявляється при русі машини по кривій малого радіусу. В цьому випадку внутрішнє (по відношенню до центру повороту) колесо буде проходити шлях значно менший, ніж зовнішнє, отже, за одну одиницю часу зовнішнє колесо має обертатися з більшою кутовий швидкістю, ніж обертається внутрішнє. Дану потребу дозволяє міжколісний диференціал, який забезпечує можливість обертання напівосьових шестернею і піввісь, пов'язаних з колесами, з різним числом оборотів.
При блокуванні диференціала між колесами виникає жорстка кінематична залежність: вони можуть обертатися тільки з рівним числом оборотів. Через це при русі на кривій малого радіусу зовнішнє колесо може почати прослизати по опорній поверхні (йти юзом), а внутрішнє працювати з пробуксовкою, надмірно закопуючи в грунт. Тобто зовнішнє колесо буде працювати в гальмівному режимі, гальмувати рух, а вся тягова сила моста буде розвиватися внутрішнім колесом. Ця обставина спричинить зниження прохідності, особливо при русі по грунтах, міцним в верхньому шарі, але слабким в нижньому, наприклад, по Дернового (порита травою) лузі, просох після дощів верхнього шару суглинку (при розкислому нижньому шарі) і т.д. Внутрішнє колесо буде зривати твердий шар і закопуватися в грунт.
Щоб в цьому прикладі обидва колеса працювали в провідному режимі, необхідно, щоб внутрішньо колесо оберталося зі значною пробуксовкою, тоді і зовнішнє колесо зможе розвинути тягову силу. Але пробуксовка колеса на бездоріжжі в більшості випадків більше шкодить, ніж допомагає: з одного боку, це сприяє кращому самоочищення протектора, з іншого - поглиблює колію, збільшуючи силу опору коченню, яка на слабких грунтах і без того чимала. А збільшення глибини колії може привести до того, що за гребінь, що утворюється між колесами, почне чіпляти і гальмувати рух низько розташована деталь автомобіля, наприклад картер моста або нижній важіль підвіски.
І по-хорошому, при поворотах малого радіуса потрібно б блокування вимкнути, щоб дати диференціалу можливість розв'язати колеса (або провідні мости). Ось тільки не завжди це можливо на ходу, та й позашляхова ситуація може несподівано змінитися і зажадати швидкого включення механізму блокування. Тому зазвичай вже якщо почав рух із заблокованим міжосьовим і заднім міжколісним диференціалами, так і шуруй, поки не зустрінеш або НЕ виїдеш на тверду поверхню.
Особливо гостро цей недолік застосування блокування при поворотах позначається при блокуванні диференціала переднього моста. Варто злегка повернути кермо, як зовнішнє колесо тут же почне гальмувати рух машини, тобто користі для прохідності не буде. До того ж це викличе виникнення моменту опору повороту, машина буде прагнути йти прямо, не дивлячись на повернені в сторону колеса. А це вже небезпечно і в деяких випадках може спричинити наїзд на тверді предмети, які водій цілком міг би і об'їхати. Ось одна з причин, по якій автомобілі підвищеної прохідності, призначені для аматорського використання, ніколи штатно не оснащуються блокуванням диференціалу переднього моста. Одна, але не найголовніша.
Після блокування диференціала різко збільшуються знакозмінні навантаження, що впливають на деталі силового приводу автомобіля. Це і є основним недоліком застосування даного технічного рішення. Як вже говорилося вище, поверхня, по якій йдуть колеса, має нерівності хвилястого характеру. І коли одне з коліс наїжджає на бугор (або потрапляє в яму), його кутова швидкість повинна за частки секунди прирости, тобто стати значно більше, ніж в іншого колеса, яке в цей час йде по рівній поверхні. Але якщо диференціал заблокований, то на колесі, що потрапив на нерівність, різко виникне гальмівний момент, що викличе суттєві навантаження на силовий привід - півосі і шестерні диференціала. А найбільші навантаження виникнуть на криволінійній ділянці шляху, коли зовнішнє колесо буде прагнути йти юзом, і вся тягова сила провідного моста буде створюватися внутрішнім колесом. Незважаючи на те, що диференціал заблокований, його шестерні продовжують передавати крутний момент (зусилля) від корпусу до полуосям. Різко виникають зайві навантаження можуть привести до поломок зубів сателітів або напівосьових шестернею, і як наслідок - виходу з ладу всього механізму. А їх осколки швидко виведуть з ладу шестерні головної передачі, оскільки ці деталі знаходяться в єдиному картері. Також може зламатися рухлива муфта механізму блокування. Але частіше ламаються піввісь, якщо конструктор розумний, то він навмисно послабить їх міцність, оскільки піввісь є найдешевшої і легко замінних деталей і може виконувати функцію запобіжника від поломок інших деталей силового приводу ведучого моста.
При русі позашляховика, укомплектованого звичайними універсальними шинами в умовах низького зчеплення коліс з дорогою, наприклад, по суглинках або на снігу, високі руйнівні навантаження не виникають. В цьому випадку колеса при заблокованому диференціалі можуть компенсувати різницю в кутових швидкостях шляхом ковзання або пробуксовки, що нескладно, так як сила їх зчеплення з опорною поверхнею відносно невелика. Але після установки спеціалізованою грязьовий шини з високими грунтозацепами сила зчеплення протектора з грунтом збільшується в кілька разів, і відповідно збільшуються руйнівні навантаження, що впливають на деталі силового приводу при блокуванні диференціала.
Найбільший ризик поломки виникає при русі машини з заблокованим диференціалом заднього моста вгору на кам'янистий підйом. У цьому випадку велика частина ваги автомобіля припадає на задню вісь, і якщо одне із задніх коліс виявиться в умовах низького зчеплення з поверхнею або вивісити, то майже вся тягова сила, необхідна для руху автомобіля, буде розвиватися іншим заднім колесом, яке притиснуто великою вагою і має велику силу зчеплення з грунтом. Через це на пов'язану з ним піввісь і шестерні піввісь може прикластися істотна силове навантаження, за значенням вище розрахункової, що неминуче призведе до поломки піввісь.