Центральный дифференциал повышенного трения torsen

Дифференциалы являются неотъемлемой частью трансмиссии авто. Конструкторами было разработано множество этих узлов, которые можно разделить на три большие группы – свободные, с принудительной блокировкой и самоблокирующиеся. Последний вариант все больше набирает популярность, и автопроизводители используют этот тип дифференциалов как между осями на полноприводных авто, так и в качестве межколесных.

Одним из представителей самоблокирующихся дифференциалов является Torsen. Он относится к узлам повышенного трения и срабатывает при возникновении разницы крутящих моментов.

Одно из главных достоинств Torsen заключается в том, что для срабатывания блокировки, которая не дает перебросить весь момент только на одно из колес (мост), не используется какой-либо дополнительный механизм, функционирование его построено на силах трения, возникающих при разности моментов.

Torsen представляет собой планетарный редуктор, но отличается от классической конструкции узла использованием червячных передач.

Особенность червячного редуктора заключается в том, что он осуществляет передачу вращения только в одном направлении, и его изменение приводит к так называемому «расклиниванию» или самоторможению. То есть, в такой передаче ведущим может выступать только один элемент – червяк, шестерня же всегда является ведомой. Попытки приложить момент к шестерне (сделать ее ведущей) приводят к заклиниванию передачи из-за больших сил трения. На эффекте самоторможения червячной передачи и построен принцип работы Torsen.

Основные составные элементы узла

Torsen состоит из тех же составных элементов, что и любой планетарный узел, и включает в себя:

• корпус (чашка);
• червячные шестеренки;
• сателлиты.

Компоновка Torsen T2

Общая концепция Torsen тоже не отличается от обычного дифференциала. Корпус узла жестко закреплен на ведущем элементе трансмиссии. Внутри этой чашки располагаются сателлиты, закрепленные на осях, и имеющие зубчатое зацепление с полуосевыми шестеренками, посаженными на валы, которым передается вращение.

Теперь об особенностях Torsen. Зубья полуосевой шестеренки – винтовые, то есть этот элемент выступает в качестве червяка (ведущего элемента передачи).

Сателлиты в Torsen представлены в виде пар косозубых шестеренок. Один элемент такой пары формирует со своей ведущей шестерней (полуосевой) червячную пару. При этом пара сателлитных шестерен также взаимодействует и между собой посредством прямозубого зацепления. Всего в конструкции дифференциала используется три сателлита, каждый из которых состоит из двух шестеренок.

Устройство Torsen T1

Три типа “Торсена”

В первом варианте в качестве червячных пар используются шестеренки ведущих полуосей, а также сателлиты. Для каждой полуоси имеются свои сателлиты, соединенные попарно с теми, что на противоположной оси. Соединение это осуществляется при помощи прямозубого зацепления. Оси сателлитов перпендикулярны полуосям. Данный вариант дифференциала “Торсен” признан самым мощным среди всех аналогичных конструкций. Он способен работать в очень широком диапазоне крутящего момента.

Второй вариант отличается тем, что оси сателлитов находятся параллельно к полуосям. Сателлиты в данном случае установлены иначе. Они находятся в специальных посадочных местах чашки. Парные сателлиты соединяются косозубым зацеплением, которое при расклинивании участвует в блокировке.

Третий вариант является единственным среди всей серии, где конструкция планетарная. Он применяется в качестве межосевого дифференциала в полноприводных машинах. Оси сателлитов и ведущие шестеренки здесь тоже параллельны друг другу. За счет этого узел очень компактный. Благодаря конструкции изначально можно распределять нагрузку между двух мостов в соотношении 40:60. Если срабатывает частичная блокировка, то пропорция может отклонятся на 20 %.

Принцип функционирования

Суть работы Torsen рассмотрим на примере, где узел — межколесный. При прямолинейном передвижении ведущие колеса встречают одинаковое сопротивление, поэтому узел равномерно перераспределяет момент между колесами. Сателлиты при таком движении не вращаются и напрямую передают усилие от чашки на полуосевые шестеренки (жесткая передача).

При вхождении в поворот, идущее по внутреннему радиусу колесо встречает большее сопротивление, и замедляется. В результате червячная пара этого колеса приводится в действие – полуосевая шестерня начинает вращать свою сателлитную шестеренку. Та в свою очередь передает усилие на вторую сателлитную шестеренку, которая дополнительно проворачивает свою полуосевую шестерню, повышая момент на колесе, двигающемуся по внешнему радиусу. Поскольку разница моментов на осях небольшая, то сила трения во второй червячной паре невысокая и самоторможение не происходит.

При попадании одного из колес на скользкую поверхность сопротивление на нем падает и момент стремится на это колесо. Полуосевая шестерня начинает раскручивать свою сателлитную шестеренку, а та – передавать усилие на второй сателлит, и вот здесь возникает эффект самоторможения. Сателлитная шестерня не может выступать в качестве ведущего элемента и вращать полуосевую из-за особенностей работы червячной передачи. Поэтому и происходит заклинивание этой червячной пары. При заклинивании она затормаживает вращение второй червячной пары и момент на полуосях выравнивается.

Принцип работы дифференциала между осями

Если весь принцип работы рассматривать коротко, то Torsen может функционировать в трех режимах, в зависимости от сопротивления на колесах. При одинаковом сопротивлении дифференциал распределяет крутящий момент равномерно (червячные пары обездвижены, и дифференциал получается как бы заблокированным).

При увеличении сопротивления на одном колесе его червячная пара приводится в действие и заставляет вращаться вторую, несмотря на возникновение в ней небольшой силы сопротивления, что приводит перераспределению момента в нужном соотношении (одно колесо замедляется, а второе – вращается быстрее).

Потеря сопротивления на одном из колес сопровождается заклиниванием червячной пары (из-за больших сил трения), которая сразу же тормозит вторую пару, поэтому крутящий момент на обоих колесах выравнивается. В этом случае Torsen начинает работать в том же режиме, что при прямолинейном движении.

Ради будущего и экономии топлива: Quattro Ultra

В 2021 году Audi представила новый по конструкции тип полного привода: Quattro ultra, который впервые нашел применение на Audi A4 allroad в середине 2021 года. Примечательно, что прежде приставку ultra имели не типы привода, а модели Audi, отличающиеся особой экономичностью. Эти модели предназначены в основном для экономичной Европы. Полный привод Quattro ultra собственно и создан для того, чтобы еще больше снизить экономию топлива, за счет снижения потерь в трансмиссии. Quattro ultra может сочетаться только с 2-литровыми моторами в комбинации с механической КПП или с АКП S tronic.

Итак, Quattro ultra является постоянным полным приводом, который активно регулирует подводимый к заднему мосту крутящий момент. В сердце этой трансмиссии лежит электронноуправляемая многодисковая муфта с гидравлическим приводом. Она пристыкована к коробке передач. Еще одна муфта – с кулачковым исполнительным механизмом – интегрирована в заднюю главную передачу.

Особенность привода Quattro ultra заключается во взаимодействии муфты полного привода с кулачковой муфтой в задней главной передаче. Она позволяет при разомкнутой муфте полного привода обездвижить раздаточную коробку (главную пару) с валом привода задней оси, разобщив их и остальную трансмиссию. Когда обе муфты размыкаются, карданный вал привода задней оси и детали задней главной передачи становятся неподвижными, что снижает потери на трение. Этим значительно экономится топливо и уменьшается выброс CO2. Обещана экономия на уровне 0,3 л/100 км.

Муфта полного привода Quattro ultra распределяет крутящий момент в свободной пропорции. Когда полный привод не нужен и необходимости в нем в ближайшее время не предвидится, происходит переключение на более эффективный с точки зрения расхода топлива передний привод.

При этом сначала размыкается муфта полного привода и производится оценка ходовых качеств автомобиля, движущегося на одном только переднем приводе. Если ходовые качества стабильны, размыкается кулачковая муфта в задней главной передаче.

Блок управления полным приводом постоянно отслеживает параметры вращения колес и ускорения и позволяет спрогнозировать уход автомобиля в занос за 500 мс до наступления этой негативной ситуации. Этих 500 мс достаточно для того, чтобы исполнительные механизмы Quattro ultra успел активировать полный привод.

Для подключения полного привода необходимо, чтобы кулачковая муфта в задней главной передаче снова сомкнулась. Включить ее мгновенно невозможно, так как в переднеприводном режиме коробка заднего дифференциала неподвижна. Ее нужно «раскрутить» и синхронизировать скорость ее вращения. Поэтому при включении полного привода сначала смыкается муфта полного привода, разгоняя карданный вал и соединенную с ним ведомую шестерню задней главной передачи. Когда частота вращения коробки заднего дифференциала стала примерно синхронной, активируется кулачковая муфта.

Виды

Конструкторами разработано три типа дифференциалов Torsen, которые обозначаются буквенным индексом «Т» с цифровой приставкой. Различия между ними сводятся к компоновке узла и форме рабочих элементов, что в свою очередь сказывается на эксплуатационных показателях.

Виды конструкций Torsen

Первый тип – Torsen Т1. Его отличительными особенностями являются перпендикулярное полуосям расположение сателлитных пар и использование винтовых зубьев, как на полуосевых шестернях, так и сателлитах. Между собой сателлиты пары взаимодействуют прямозубым зацеплением. Принцип работы, описанный выше, рассмотрен именно на примере версии Т1. Имеет высокую степень «естественного» трения.

Torsen Т2 является вторым поколением этого самоблокирующегося дифференциала. От первого типа он отличается параллельным расположением сателлитов. У него винтовые зубья проделаны только на сателлитах, а вот полуосевые шестеренки косозубые. Зацепление сателлитов между собой также осуществляется винтовыми зубьями, которые участвуют в процессе блокирования (они тоже могут расклиниваться).

Это поколение имеет более низкую степень «естественного» трения, раннем схватывании при меньшей степени блокировки по сравнению с Т1. Он получил распространение на гражданских авто. Но есть модификация T2R, который выдерживает большой крутящий момент и применяется исключительно на мощных автомобилях, таких как Ford Mustang. По конструкции он отличается только тем, что используется шлицевая муфта с винтовыми зубьями, через которые она вводится в зацепление с солнечной шестерней. В такой конструкции характеристики «естественного» трения могут меняться в зависимости от условий движения.

Последний тип – Т3. Конструктивно он во многом схож с версией Т2 (параллельное расположение сателлитов с винтовыми зубьями, косозубые полуосевые шестеренки), но компоновку его несколько пересмотрели и использовали в его конструкции планетарную структуру. Это позволило не только уменьшить габаритные параметры узла, а и обеспечить возможность задавать соотношение распределения момента по осям. Из-за этой особенности Torsen Т3 применяется только в качестве межосевого дифференциала, в то время Т1 и Т2 как между осями, так и в качестве межколесного дифференциала.

Применение

Принцип работы системы полного привода 4matic

Самоблокирующийся дифференциал Torsen используют как в качестве межколесных, так и в качестве межосевых устройств распределения крутящего момента. Широкую известность получил дифференциал Torsen Audi Quattro. В современных полноприводных автомобилях данное механическое устройство устанавливается довольно часто. Отметим, что межосевой дифференциал Torsen используется практически на всех автомобилях Hummer.

Популярность устройства распределения крутящего момента Торсен обусловлена отсутствием связи с какой-либо электроникой или муфтами. Данный элемент трансмиссии – это сравнительно простой механизм, отличающийся мгновенным срабатыванием и отсутствием негативного влияния на процесс торможения. Именно поэтому дифференциал данного типа используют в своих автомобилях ведущие автопроизводители.

Положительные и отрицательные качества

Torsen является одним из лучших вариантов самоблокирующихся дифференциалов и обусловлено это такими его достоинствами:

• Работа в полностью автоматическом режиме без стороннего вмешательства (нет ни ручных, ни электронных механизмов управления);
• Мгновенная скорость срабатывания блокировки;
• Бесшумность;
• Возможность использования как между осями, так и между колесами;
• Плавность функционирования;
• Обслуживание уза сводится только к своевременной замене смазки.

Но вместе с тем, недостатков у этого узла тоже немало. Весь принцип работы Torsen построен на возникающей силе трения в червячных передачах при определенных условиях. А это приводит к снижению общего КПД узла и ускоренному износу рабочих элементов.

Еще одно слабое место, которое имеют все червячные дифференциалы – это диагональное вывешивание, при нем они становятся абсолютно беспомощны.

К тому же, Torsen – узел дорогостоящий из-за сложности изготовления и потребности в использовании высокопрочных материалов.

Поколения дифференциала Torsen

Самоблокирующийся дифференциал Torsen имеет три поколения:

• T-1 – первое поколение самоблокирующегося устройства распределения крутящего момента. В нем в качестве червячных пар выступают сателлиты и шестерни ведущих полуосей. Сателлиты полуосей связаны прямозубым зацеплением. Оси сателлитов перпендикулярны полуосям. Межколесный дифференциал Торсен первого поколения позволяет колесам автомобиля вращаться с различной скоростью. При проскальзывании колеса механизм пытается передать большую часть мощности двигателя автомобиля на другую полуось, после чего червячная пара этой полуоси расклинивается. При этом сила трения, которая возникает в червячном зацеплении из-за разности величин крутящих моментов на колесах, блокирует дифференциал. Первое поколение дифференциала Torsen самое мощное из всех конструкций в своем классе.
• T-2 – второе поколение устройства. Главные отличия от первого поколения: оси сателлитов здесь расположены вдоль полуосей; сами сателлиты расположены в специальных карманах корпуса дифференциала; участвующие в процессе блокировки механизма при расклинивании шестерни парных сателлитов – косозубые.
• T-3 – третье поколение дифференциала. Имеет планетарную конструкцию. Третье поколение Торсен используется, в основном, в качестве межосевого дифференциала на автомобилях, имеющих полный привод. Механизм имеет компактные габариты в связи с тем, что ведущая шестерня и оси сателлитов расположены в конструкции параллельно.

Дифференциал как часть трансмиссии

Дифференциал в автомобиле — это механизм, распределяющий крутящий момент карданного вала трансмиссии между ведущими колесами передней или задней оси (в зависимости от типа привода), позволяя каждому из них вращаться без пробуксовки. В этом заключается основное назначение дифференциала.

Ведуший мост с дифференциалом в разрезе

При прямолинейном движении, когда колеса нагружены одинаково и имеют равную угловую скорость вращения – механизм работает в качестве передаточного звена. Если условия движения изменяются (поворот, пробуксовка) – нагрузка становится неравномерной. У полуосей появляется необходимость вращаться с разными скоростями, и, как следствие, становится необходимым распределить полученный крутящий момент между ними в определенном соотношении. Тогда узел выполняет вторую важную функцию: обеспечение безопасного маневрирования автомобиля.

Схема расположения дифференциала зависит от типа привода автомобиля:

1. Передний привод – картер коробки передач.
2. Задний привод – корпус ведущего моста.
3. Полный привод – корпусы переднего и заднего мостов (для передачи крутящего момента ведущим колесам) или раздаточная коробка (для передачи крутящего момента ведущим мостам).

Дифференциал на автомобилях появился не сразу. Конструкторы первых «самодвижущихся экипажей» были очень озадачены плохой маневренностью своих изобретений. Вращение колёс с одинаковой угловой скоростью во время прохождения поворота приводило к тому, что одно из них начинало буксовать или, наоборот, полностью теряло контакт с дорогой. Инженеры вспомнили, что на ранних прототипах первых автомобилей, снабжаемых паровыми двигателями, было устройство, позволявшее избежать потери управляемости.

Механизм распределения вращающего момента изобрёл француз Онесифор Пеккёр. В устройстве Пеккёра присутствовали валы и шестерни. Через них крутящий момент от мотора поступал к ведущим колёсам. Но даже после применения изобретения Пёккера проблема пробуксовки колёс на поворотах не решилась полностью. Выявились недостатки системы. Например, одно из колес в какой-то момент терял сцепление с дорогой. Сильнее всего это проявлялось на обледенелых участках.

Пробуксовка в таких условиях часто приводила к авариям, поэтому конструкторы надолго задумались над тем, как предотвратить занос машины. Решение было найдено Фердинандом Порше. Он стал изобретателем кулачкового механизма, который ограничивал проскальзывание колёс ведущего моста. Немецкое устройство дифференциала нашло применение в автомобилях Volkswagen.

Устройство дифференциала Торсен

Данный механизм был запатентован в конце 1950-х годов в США и дал название одноименной компании. Самоблокирующийся дифференциал представляет собой устройство, внедренное в систему автомобиля, которое предает крутящий момент на приводы машины. Это необходимо для перераспределения мощности с трансмиссии и с двигателя на колеса для улучшения проходимости. Также его называют дифференциал повышенного трения torsen. Оно получило широкое применение на автомобилях с полным приводом и служит для блокировки мощности колеса при его проскальзывании и передаче его на рабочий привод. Такой эффект позволяет авто без усилий преодолеть дорожные препятствия в условиях непогоды или при экстремальных дорожных условиях в сравнении с обычными транспортными средствами. Типовые ситуации, в которых происходит применение данной системы следующие:

1. Зимние погодные условия, когда колеса могут потерять сцепление с дорогой. Эта ситуация грозит ДТП, заносом и потерей общего управления. В таком случае крутящий момент от потерявшего сцепления агрегата перераспределяется на действующие оси – авто не теряет управляемость, что, соответственно, не приводит к потере контроля над машиной.
2. Экстремальные природные условия – грязь, топи и иные типы покрытия, в которых может происходить пробуксовка. В такой ситуации блокиратор позволяет хоть и с трудом, но выбраться машине, также перераспределяя момент на колесах в различных пропорциях. Часто дифференциал торсен для УАЗ служит именно таким задачам.

К конструктивным особенностям межосевого дифференциала Торсен относятся:

1. В сравнении с конкурентами, которые в большинстве своем имеют в своей основе конические шестерни, в данной схеме присутствуют червячные. Наличие шестерен данной формы позволяет повысить КПД изделия в сравнении с конкурентами, а также перераспределять крутящий момент между колесами и осями в более широком диапазоне.
2. Наличие полуосевых шестерен также способствует увеличению эффективности на трении, что позволяет практически моментально при потере крутящего момента на колесе (потеря связи с покрытием – проскальзывание) передать его на рабочую деталь, тем самым повысив тягу на отдельном участке машины.
3. Корпус устройства служит не только для защиты от механического воздействия (так как данная деталь крепится на днище автомобиля), но и содержит все составные части.
4. Сателлиты – ведущие червячные шестерни в процессе работы выполняют функцию расклинивания, так как в силу особенностей конструкции червячная шестерня может приводить в действие иные элементы, но в момент блокировки находится в неподвижном состоянии.

Также за время своего существования данное изделие пережило выпуск 3 поколений. Текущее семейство устанавливают на многие современные модели.

Важно! Также на рынке большое распространение получают электронные устройства принудительной блокировки, которые приводятся в действие автоматически. Это продукция последних поколений, которая не требует вмешательства водителя, а посредством электронного блока управления самостоятельно перераспределяет крутящий момент в определенном соотношении