Торсен: поколения, устройства и принцип работы

В процессе движения автомобиля на его колеса оказывается самое разное воздействие, начиная от крутящего момента, который поступает от мотора через трансмиссию, и заканчивая разницей оборотов при преодолении транспортным средством крутого поворота. В современных автомобилях для устранения разницы во вращении колес на одной оси используется дифференциал.

Подробно о том, что это такое и какой у него принцип работы, мы сейчас рассматривать не будем – об этом есть отдельная статья. В данном обзоре рассмотрим одну из самых известных разновидностей механизмов – Torsen. Обсудим, в чем его особенность, как он работает, в каких автомобилях он устанавливается, а также какие существуют его разновидности. Особенную популярность данный механизм получил благодаря внедрению во внедорожники и полноприводные модели авто.

Во многих своих моделях полноприводных автомобилей автопроизводители устанавливают разные системы, распределяющие крутящий момент по осям авто. Например, у BMW это xDrive (о данной разработке читайте здесь), у Mercedes-Benz – 4Matic (о том, в чем ее особенность, рассказывается отдельно) и так далее. Часто в устройство подобных систем входит дифференциал с автоматической блокировкой.

Что такое дифференциал Torsen

Дифференциал Torsen – одна из модификаций механизмов, имеющих червячный тип зацепления и высокую степень трения. Подобные устройства используются в разных системах транспортных средств, в которых происходит распределение силы крутящего момента с ведущей на ведомую ось. Устройство устанавливается на ведущее колесо, что предотвращает преждевременный износ покрышек, когда автомобиль передвигается по извилистой дороге.

Также подобные механизмы устанавливаются между двумя мостами, чтобы производить отбор мощности от силового агрегата на второстепенную ось, делая ее ведущей. Во многих современных моделях внедорожных автомобилей межосевой дифференциал заменяется многодисковой фрикционной муфтой (ее устройство, модификации и принцип работы рассматриваются в другой статье).

Название Торсен с английского дословно переводится, как «чувствительный к крутящему моменту». Данная разновидность устройств способна самостоятельно блокироваться. Благодаря этому самоблокирующийся элемент не нуждается в дополнительных устройствах, нивелирующих функционирование рассматриваемого механизма. Этот процесс будет происходить, когда ведущий и ведомый валы имеют разный показатель оборотов или крутящего момента.

Конструкция самоблокирующихся механизмов подразумевает наличие червячных шестерен (ведомые и ведущие). В кругах автомобилистов можно услышать название сателлит или полуосевые. Все это синонимы червячных шестерен, использующихся в данном механизме. Червячная шестерня имеет одну особенность – она не нуждается в передаче вращательных движений от смежных шестерен. Наоборот, эта деталь может самостоятельно крутить смежные шестеренчатые элементы. Благодаря этому обеспечивается частичная блокировка дифференциала.

Назначение

Итак, назначение дифференциала Torsen заключается в том, чтобы обеспечивать эффективный отбор мощности и распределение крутящего момента между двумя механизмами. Если устройство используется в ведущих колесах, то оно необходимо, чтобы при пробуксовке одного колеса второе не теряло крутящий момент, а продолжало работать, обеспечивая сцепление с дорожным покрытием.  Похожая задача у межосевого дифференциала – при пробуксовке колес основной оси он способен блокироваться, и передавать часть мощности на второстепенную ось.

В некоторых современных машинах автопроизводители могут использовать модификацию дифференциалов, которая самостоятельно блокирует вывешенное колесо. Благодаря этому максимальная мощность поступает не на буксующую полуось, а на ту, у которой хорошее сцепление с дорогой. Данный компонент трансмиссии – идеальный вариант, если машина часто покоряет бездорожье.

Его расположение зависит от того, какая у автомобиля трансмиссия:

• Автомобиль с передним приводом. В этом случае дифференциал будет находиться в картере КПП;
• Заднеприводная машина. В такой компоновке дифференциал будет установлен в корпус моста ведущей оси;
• Полноприводный транспорт. В таком случае дифференциал (если не используется в качестве его аналога многодисковая межосевая муфта) будет установлен в корпусе мостов передней и задней оси. Он передает крутящий момент на все колеса. Если устройство устанавливается в раздаточной коробке, тогда он будет обеспечивать отбор мощности ведущими мостами (подробней о том, что такое раздаточная коробка, читайте в другом обзоре).

История создания

До того, как появилось данное устройство, водители самоходных механических транспортных средств наблюдали снижение управляемости экипажа, когда он на скорости преодолевал поворот. В этот момент у всех колес, имеющих жесткую связь друг с другом через общую ось, одинаковая угловая скорость. Из-за этого эффекта одно из колес теряет контакт с дорожным покрытием (двигатель заставляет его крутиться с одной скоростью, а дорожное покрытие препятствует этому), что ускоряло износ покрышек.

Для решения данной проблемы инженеры, разрабатывающие очередные модификации автомобилей, обратили внимание на устройство, которое создал французский изобретатель О.Пеккёр. В его конструкции были валы и шестеренки. Работа механизма сводилась к тому, чтобы крутящий момент передавался от парового двигателя на ведущие колеса.

Хотя во многих случаях на поворотах транспорт стал более стабильным, но с помощью этого устройства невозможно было полностью устранить пробуксовку колес с разной угловой скоростью. Особенно этот недостаток проявлялся, когда машина попадала на скользкое дорожное покрытие (лед или грязь).

Так как транспорт все равно оставался нестабильным при прохождении поворотов на дороге с плохим покрытием, часто это приводило к возникновению дорожно-транспортных происшествий. Ситуация изменилась, когда конструктор Фердинанд Порше создал кулачковый механизм, который предотвращал проскальзывание ведущих колес. Этот механический элемент нашел свое применение в трансмиссии многих моделей Volkswagen.

Дифференциал с самоблокирующимся устройством был разработан американским инженером В.Глизманом. Механизм был создан в 1958-м году. Изобретение было запатентовано компанией Torsen, и до сих пор носит это название. Хотя само устройство изначально было достаточно эффективным, со временем появилось несколько модификаций или поколений этого механизма. В чем их разница, рассмотрим немного позже. Сейчас сосредоточимся на принципе работы дифференциала Торсен.

Принцип работы

Чаще всего механизм Торсен встречается в тех моделях автомобилей, в которых отбор мощности может осуществляться не только на отдельную ось, но и даже на отдельное колесо. Нередко самоблокирующийся дифференциал устанавливают и на переднеприводные модели авто.

Работает механизм по следующему принципу. Трансмиссия передает вращение на конкретное колесо или ось через дифференциал. В ранних моделях автомобилей механизм был способен изменять величину момента в соотношении 50/50 процентов (1/1). Современные модификации способны перераспределять силу вращения до соотношения 7/1. Благодаря этому водитель может контролировать автомобиль, даже если качественное сцепление с дорогой имеет только одно колесо.

Когда величина оборотов буксующего колеса резко подскакивает, шестеренка червячного типа механизма блокируется. Благодаря этому усилия в определенной степени поступают на более стабильное колесо. Буксующее колесо в самых последних моделях машин почти теряет крутящий момент, что предотвращает занос автомобиля или если машина застряла в грязи/снегу.

Самоблокирующийся дифференциал может устанавливаться не только на иномарки. Нередко данный механизм можно встретить на отечественных заднее- или переднеприводных моделях авто. В таком исполнении машина, конечно, не становится вездеходом, но если в ней используются немного увеличенные колеса, а дорожный просвет высокий (подробней о данном параметре рассказывается в другом обзоре), то в сочетании с дифференциалом Torsen трансмиссия позволит транспорту справиться с бездорожьем средней тяжести.

1) Одинаковые условия для каждой оси: крутящий момент в равных пропорциях поступает на обе полуоси, колеса вращаются с одинаковой скоростью;
2) Передняя ось оказалась на льду: соотношение крутящего момента перед/зад может достигать 1/3.5 передние колеса крутятся с большей скоростью;
3) Автомобиль входит в поворот: распределение крутящего момента может достигать показателя в 3.5/1 (передние/задние колеса), передние колеса вращаются быстрее;
4) Задние колеса оказались на льду: соотношение крутящего момента может достигать 3.5/1 (передняя/задняя ось), быстрее крутятся задние колеса.

Рассмотрим работу межколесного дифференциала. Весь процесс можно разделить на несколько этапов:

1. Коробка передач через вал главной передачи передает крутящий момент на ведомую шестеренку;
2. Ведомая шестеренка принимает на себя вращение. На ней закреплено так называемое водило или чашка. Эти детали крутятся вместе с ведомой шестерней;
3. По мере вращения чашки и шестерни вращение передается на сателлиты;
4. К сателлитам закреплены полуоси каждого из колес. Вместе с этими элементами крутится и соответствующее колесо;
5. Когда сила вращения в одинаковой степени поступает на дифференциал, сателлиты не будут крутиться. В таком случае вращается только ведомая шестерня. Сателлиты остаются неподвижными в чашке. Благодаря этому сила от коробки передач распределяется пополам на каждую полуось;
6. Когда машина входит в поворот, колесо, находящееся на наружной части полукруга, выполняет больше оборотов, чем то, которое находится на внутренней части полукруга. По этой причине в транспорте с жестко соединенными колесами на одной оси происходит потеря контакта с дорожным покрытием, так как на каждой стороне создается сопротивление разной величины. Устраняется данный эффект движением сателлитов. Помимо того, что они вращаются вместе с чашкой, эти компоненты начинают проворачиваться вокруг своей оси. Особенность устройства этих элементов в том, что их зубцы выполнены в форме конусов. Когда сателлиты проворачиваются вокруг своей оси, происходит увеличение скорости вращения одного колеса, и уменьшение другого. В зависимости от разницы величины сопротивления на колеса перераспределение крутящего момента в некоторых авто может достигать соотношения 100/0 процентов (то есть сила вращения передается только на одно колесо, а второе просто свободно вращается);
7. Обычный дифференциал создан так, чтобы обеспечить разницу в скорости вращения двух колес. Но эта особенность одновременно является и недостатком механизма. Например, когда машина попадает в грязь, водитель пытается выбраться из трудного участка дороги при помощи увеличения скорости вращения колес. Но из-за работы дифференциала крутящий момент идет путем наименьшего сопротивления. По этой причине колесо на устойчивом участке дороге остается недвижимым, а вывешенное колесо вращается с максимальной скоростью. Для устранения данного эффекта как раз и нужна блокировка дифференциала (подробно данный процесс описывается в другом обзоре). Без блокирующегося механизма машина зачастую останавливается, когда хотя бы одно колесо начинает буксовать.

Рассмотрим подробней, как работает дифференциал Torsen в трех разных режимах езды.

При прямолинейном движении

Как мы уже обратили внимание выше, когда машина движется по прямому участку дороги, на каждую ведущую полуось поступает половина крутящего момента. По этой причине ведущие колеса вращаются с одинаковой скоростью. В таком режиме механизм напоминает жесткую сцепку двух ведущих колес.

Сателлиты находятся в покое – они просто вращаются вместе с чашкой механизма. Независимо от типа дифференциала (блокирующийся или свободный), в таких условиях движения механизм будет вести себя одинаково, так как оба колеса находятся на одинаковой поверхности, и сталкиваются с одинаковым сопротивлением.

При повороте

Проходя поворот, колесо внутреннего полукруга выполняет меньше движений по сравнению с тем, которое находится на наружной части поворота. В этом случае проявляется работа дифференциала. Это стандартный режим, в котором срабатывают механизмы, компенсирующие разницу в оборотах ведущих колес.

Когда машина оказывается в подобных условиях (а это происходит часто, так как такой тип транспорта не передвигается по заранее проложенной колее, как поезд), сателлиты начинают проворачиваться вокруг собственной оси. При этом соединение с корпусом механизма и шестеренками полуосей не теряется.

Так как колеса не теряют сцепление с дорогой (трение происходит между покрышками и дорогой в равной степени), крутящий момент продолжает поступать на устройство в той же пропорции 50 на 50 процентов. Такая конструкция особенна тем, что при разных скоростях вращения колес колесо, которое крутится быстрее, требует больше мощности по сравнению со вторым, работающим с меньшими оборотами.

Благодаря такому нивелированию работы устройства устраняется сопротивление, которое оказывается на крутящееся колесо. В моделях с жесткой привязкой ведущих полуосей этот эффект невозможно устранить.

При пробуксовке

Качество работы свободного дифференциала падает, когда одно из колес автомобиля начинает буксовать. Такое происходит, например, когда транспортное средство попадает на грязную грунтовую дорогу или на частично обледеневший участок дороги. Так как дорога перестает оказывать сопротивление вращению полуоси, отбор мощности происходит на свободное колесо. Естественно, тяга в такой ситуации тоже пропадает (одно колесо, находящееся на стабильном покрытии, остается неподвижным).

Если в машине устанавливаются свободные симметричные дифференциалы, то Ньютон/метры в таком случае распределяются только в равных пропорциях. Поэтому если тяга пропадает на одном колесе (начинается его свободное вращение), второе автоматически ее теряет. Колеса перестают цепляться за дорогу, и машина замедляется. В случае остановки на льду или в грязи транспорт не сможет сдвинуться с места, так как колеса при трогании сразу же срываются в пробуксовку (зависит от состояния дороги).

В этом как раз и заключается ключевой недостаток свободных дифференциалов. При потере сцепления с дорогой вся мощность ДВС поступает на вывешенное колесо, и оно просто бесполезно крутится. Механизм Торсен устраняет этот эффект, блокируясь, когда теряется тяга на колесе со стабильным сцеплением с дорогой.

Устройство и основные компоненты

Конструкция модификации Torsen состоит из:

• Корпуса или чашки. Этот элемент получает Ньютон/метры от вала главной передачи (ведомая шестеренка, установленная в чашке). В корпусе расположены две полуоси, к которым подсоединены сателлиты;
• Полуосевых шестеренок (другое название – солнечная шестерня). Каждая из них предназначена для полуоси своего колеса, и передает вращение через шлицы на них и осях/полуосях;
• Правого и левого сателлитов. Они с одной стороны соединены с полуосевыми шестернями, а с другой – с корпусом механизма. В дифференциалах Торсен производитель решил расположить 4 сателлита;
• Выходных валов.

Дифференциалы Торсен с самостоятельной блокировкой – самый совершенный тип механизмов, обеспечивающий перераспределение крутящего момента между полуосями, но при этом предотвращающий бесполезное вращение вывешенного колеса. Такие модификации используются в полном приводе Quattro от Audi, а также в моделях известных автопроизводителей.

Виды самоблокирующегося дифференциала Торсен

Конструкторы, разрабатывающие модификации дифференциалов Торсен, создали три разновидности данных механизмов. Они отличаются друг от друга своим устройством, и предназначены для применения в конкретных системах автомобиля.

Все модели устройств обозначаются маркером Т. В зависимости от типа, дифференциал будет иметь свою компоновку и форму исполнительных деталей. Это в свою очередь влияет на эффективность механизма. Если его расположить в неподходящем узле, детали будут быстро выходить из строя. По этой причине для каждого агрегата или системы полагается свой дифференциал.

Вот для чего предназначен каждый вид дифференциалов Torsen:

• Т1. Используется в качестве межколесного дифференциала, но его могут устанавливать для перераспределения момента между осями. Имеет небольшую степень блокировки и схватывается позже, чем следующая модификация;
• Т2. Устанавливается между ведущими колесами, а также в раздаточной коробке, если транспортное средство оснащено полным приводом. По сравнению с предыдущей версией блокировка механизма происходит немного раньше. Данный тип устройств чаще применяется на гражданских моделях автомобилей. В этой категории также присутствует модификация Т2R. Детали этого механизма способны выдерживать намного больше крутящего момента. По этой причине его устанавливают только на мощные автомобили.
• Т3. По сравнению с предыдущими вариантами данный тип устройств имеет меньшие габариты. Особенность конструкции позволяет изменять соотношение отбора мощности между узлами. По этой причине данное изделие устанавливается только в раздатке между осями. В полном приводе, оснащенном дифференциалом Torsen, распределение крутящего момента по осям будет меняться в зависимости от дорожных условий.

Каждый вид механизмов еще называется поколением. Рассмотрим конструктивные особенности каждого из них.

Поколения дифференциала Torsen

Принцип работы и устройство первого поколения (Т1) был рассмотрен ранее. В конструкции червячные пары представлены сателлитами и шестернями, соединенными с ведущими полуосями. Сателлиты зацепляются с шестернями при помощи зубьев с винтовой формой, а их ось расположена перпендикулярно каждой полуоси. Сцепление сателлитов друг с другом осуществляется прямыми зубьями.

Этот механизм дает возможность ведущим колесам вращаться со своей скоростью, что устраняет сопротивление при прохождении поворотов. В момент, когда одно из колес начинает пробуксовывать, червячная пара заклинивается, и механизм старается передать больше крутящего момента на другое колесо. Данная модификация – самая мощная, и поэтому часто она используется в спецтранспорте. Она способна передавать высокий показатель крутящего момента и обладает высоким показателем силы трения.

Второе поколение дифференциалов Торсен (Т2) отличается от предыдущей модификации расположением сателлитов. Их ось размещена не перпендикулярно, а вдоль полуосей. В корпусе механизма сделаны специальные выемки (карманы). В них установлены сателлиты. При разблокировке механизма срабатывают парные сателлиты, у которых косые зубья. Данная модификация отличается меньшей силой трения, а блокировка механизма происходит раньше. Как говорилось ранее, данное поколение имеет более мощный вариант, который используется на автомобилях с мотором высокой производительности.

Конструктивно эта модификация отличается от стандартного аналога типом зацепления. В конструкции механизма имеется муфта со шлицевым зацеплением, на внешней стороне которой имеются винтовые зубья. Эта муфта зацепляется за солнечную шестерню. В зависимости от дорожных условий данная конструкция обладает переменным показателем силы трения между зацепляющимися компонентами.

Что касается третьего поколения (Т3), то данный механизм имеет устройство планетарной структуры. Ведущая шестеренка установлена параллельно сателлитам (на них сделаны зубья с винтовой формой). Шестерни полуосей имеют косое расположение зубьев.

В своих моделях каждый производитель использует эти поколения механизмов по-своему. В первую очередь это зависит от того, какие характеристики должны быть у машины, например, нужен ли ей подключаемый полный привод или распределение момента отдельно на каждое колесо. По этой причине перед тем, как приобретать транспортное средство, необходимо уточнить, какую модификацию дифференциала использует автопроизводитель в данном случае, а также как ее можно эксплуатировать.

Блокировка дифференциала Торсен

Обычно самоблокирующийся механизм работает, как стандартный дифференциал – он устраняет разницу в оборотах ведущих колес. Блокируется устройство только в экстренных ситуациях. Примером таких обстоятельств является пробуксовка одного из них на нестабильной поверхности (гололед или грязь). То же касается и блокировки межосевого механизма. Эта функция позволяет водителю выбраться из трудного участка дороги без посторонней помощи.

Когда происходит блокировка, избыточный крутящий момент (вывешенное колесо бесполезно крутится) перераспределяется на то колесо, которое имеет лучшее сцепление с дорогой (этот параметр определяется сопротивлением вращению этого колеса). Тот же процесс происходит при межосевой блокировке. Вывешенная ось получает меньше Ньютон/метров, а та, которая имеет лучшее сцепление с дорогой, начинает работать.

На каких машинах стоит дифференциал Торсен

Рассматриваемая модификация самоблокирующихся механизмов активно используется автопроизводителями с мировым именем. В этот список вошли:

• Honda;
• Toyota;
• Subaru;
• Audi;
• Alfa Romeo;
• General Motors (почти во всех моделях Hummer).

И это еще не весь список. Чаще всего самоблокирующимся дифференциалом оснащается полноприводная машина. О его наличии необходимо уточнять у продавца, потому что трансмиссия, передающая момент на обе оси, не всегда оснащается данным механизмом по умолчанию. Например, вместо этого устройства может устанавливаться многодисковая фрикционная или вязкостная муфта.

Также данный механизм с большей вероятностью будет устанавливаться на автомобиль со спортивными характеристиками, даже если это передне- или заднеприводная модель. Стандартный автомобиль с передними ведущими колесами не оснащается блокировкой дифференциала, так как такая машина будет требовать определенных навыков спортивного вождения.

Достоинства и недостатки

Итак, дифференциал типа Торсен призван помочь водителю преодолеть сложные участки дороги без чьей-либо помощи. Помимо этого достоинства устройство имеет еще несколько преимуществ:

• Срабатывает всегда с максимальной точностью в экстренной ситуации;
• Обеспечивает плавную работу трансмиссии на нестабильном дорожном покрытии;
• В процессе работы не издает посторонних шумов, из-за чего страдал бы комфорт во время поездки (при условии, что механизм исправен);
• Конструкция устройства полностью освобождает водителя от необходимости контролировать процесс перераспределения крутящего момента между осями или отдельными колесами. Даже если в бортовой системе транспортного средства имеется несколько режимов работы трансмиссии, сама блокировка происходит автоматически;
• Процесс перераспределения крутящего момента не влияет на эффективность работы тормозной системы;
• Если водитель эксплуатирует автомобиль в соответствии с рекомендациями автопроизводителя, то механизм дифференциала не требует особого обслуживания. Исключением является необходимость контролировать уровень смазки в картере трансмиссии, а также потребность  в замене масла (интервал замены указывает изготовитель транспортного средства);
• При установке на автомобиль с передним приводом механизм облегчает старт транспорта (главное избегать срыва ведущих колес), а также делает реакцию на действия водителя в поворотах более четче.

Несмотря на то, что данный механизм имеет много положительных сторон, он не лишен минусов. Среди них:

• Большая цена устройства. Причиной тому является сложность производства и сборки конструкции;
• За счет того, что в трансмиссии появляется дополнительный узел, в котором образуется небольшое сопротивление (трение между шестернями), машина оснащенная подобным механизмом, будет требовать больше топлива. В определенных условиях автомобиль будет более прожорливым по сравнению с аналогом, у которого только одна ведущая ось;
• Небольшой КПД;
• Есть большая вероятность клина деталей, так как в его устройстве большое количество зубчатых компонентов (зачастую такое происходит из-за низкого качества продукции или по причине несвоевременного ТО);
• В процессе работы механизм сильно нагревается, поэтому для трансмиссии используется особенный смазочный материал, который не портится при высоком температурном режиме;
• Нагруженные компоненты подвержены сильному износу (зависит от частоты срабатывания блокировки и стиля вождения, который использует водитель в процессе преодоления бездорожья);
• Эксплуатация автомобиля на одном из колес, отличающемся от остальных, нежелательна, так как эта разница нагружает механизм, что приводит к ускоренному износу некоторых его деталей.

Отдельного внимания заслуживает модернизация переднеприводного автомобиля (свободный дифференциал заменяется на самоблок). Несмотря на то, что машина становится более резвее на поворотах, в момент интенсивного разгона машина чувствительна к дорожному покрытию. В этот момент автомобиль становится «нервным», его затягивает на рыхлую поверхность, и от водителя требуется больше концентрации и активней работать рулем. По сравнению с заводской комплектацией данная модификация менее комфортна в длительных поездках.

Что касается экстренных ситуаций, то такая машина менее послушна и не так предсказуема, как заводской вариант. Те, кто решился на такую модернизацию, на собственном опыте убедился, что эти изменения позволяют применять спортивные навыки вождения. Но если их нет, то не стоит подвергать автомобиль подобным улучшениям. Эффект от них будет полезен только в спортивном режиме или на грязных проселочных дорогах.

К тому же автомобилист, помимо установки самоблокирующегося механизма, должен грамотно настроить и другие параметры машины, чтобы ощутить остроту вождения. В остальном легковушка будет вести себя, как внедорожник, что в условиях, в которых чаще эксплуатируется данный транспорт, в этих характеристиках нет необходимости.

В завершение обзора предлагаем дополнительное видео о работе самоблокирующегося дифференциала Торсен и истории его создания:

Вопросы и ответы:

Как работает дифференциал Torsen? Механизм чувствует момент, когда одно из колес теряет сцепление с дорогой, из-за разницы в крутящем моменте шестерни дифференциала зацепляются, и основным становится одно колесо.

Чем отличается дифференциал Torsen от обычного? Обычный дифференциал обеспечивает равномерное распределение тяги на оба колеса. Когда буксует одно колесо, тяга пропадает и на втором. Торсен же при пробуксовке перенаправляет крутящий момент на нагруженную полуось.

Где используется Torsen? Межколесный самоблокирующийся дифференциал, а также как межосевой механизм, подключающий вторую ось. Такой дифференциал широко используется в полноприводных машинах.