Свап раздатки Kia Sorento 1 поколения, часть 6. Как все-таки работает режим Auto в системе полного привода TOD.

Всем привет.

В предыдущем посте про раздаточную коробку TOD я было написал, что система непосредственно не производит переменного динамического управления подачей крутящего момента на переднюю ось. Иными словами, не может самостоятельно регулировать степень зажатия пакета фрикционов в режиме Auto.

Однако меня продолжали терзать смутные сомнения, что я что-то не учитываю, поскольку несколько обстоятельств не укладывались в мою первоначальную теорию, а именно:
1. Несколько раз слышал от пользователей TOD, особенно обладающих SuperTOD от BLKDEM, что в авторежиме яркость индикатора полного привода на приборной панели является переменной величиной, т.е. лампочка загорается тем ярче, чем сильнее система зажимает фрикционы. Вот пруф:

Казалось бы, зачем нужны такие ухищрения, если магнит или включается, или нет?

2. Сам неоднократно замечал, что если остановить машину в повороте или на подъеме и выключить полный привод, то часто при размыкании полного привода слышен явный ударчик или толчок.
Откуда в раздатке удар, если магнит непосредственно не сжимает фрикционы?

3. В своей разобранной раздатке на фланцах корпуса магнита и зубчатого диска я увидел полоски задранного металла в тех местах, где данные детали соприкасаются между собой.

Выходит, что между ними есть проворот и трение, причем трение под нагрузкой, так как сталь весьма твердая и гладко отшлифована. Но почему и в каких ситуациях?

4. Ну и собственно таблица распределения по осям от производителя, где в различных режимах степень блокировки муфты указана с точностью до 5%.

Found on photo: 1003Q

Может ли производитель настолько вводить в заблуждение, если никакого активного распределения нет? Или же если распределение идет «само собой» в зависимости от дорожных условий, то как вычислены столь точные значения в таблице?

И вот наутро после публикации меня осенила мысль. Да, распор кулачковой муфты вызывает зажатие пакета фрикционов, но какими силами удерживаются от проворота сам корпус магнита и зубчатый диск? Ранее я принял их взаимное вращение как константу, т.е. они крутятся либо вместе, либо отдельно, однако износ в местах соприкосновения явно указывает на трение, то есть на проворачивание в сжатом состоянии. Тут-то и начинается все самое интересное.

Представим себе работу полного привода ТОД на схеме. Красным цветом обозначены детали, вращающиеся со скоростью передней оси, зеленым — задней.

Притягивая к себе зубчатый диск, корпус магнита синхронизируется по своему вращению с корзиной фрикционов, т.е. с передней осью. Силами, которые создают данную синхронизацию, являются сила трения, вызываемая сжатием зубчатого диска и корпуса электромагнита, которая, в свою очередь, вызывается силой притяжения электромагнита при подаче на него электрического тока.

При наличии разницы во вращении задней оси (вращения кулачка) и передней оси (теперь вместе с корпусом магнита) корпус магнита, которому некуда двинуться со своего места, отталкивает от себя кулачок посредством разведения шариков по канавкам.

Когда кулачок касается нажимного диска (который в свою очередь зажимает фрикционы), он останавливается.

Теперь рассмотрим 2 возможных исхода, которые могут произойти далее.
1. Если сила, проворачивающая передние колеса относительно задних, сравняется и станет чуть меньше сил трения в пакете, то передняя ось синхронизируется по вращению с задней. Шарики в канавках при этом останутся в том положении, при котором кулачок коснулся нажимного диска.

2. Если сила, проворачивающая передние колеса относительно задних, будет больше сил трения в пакете, вращение осей не синхронизируется.

Тут следует сделать отступление, чтобы пояснить: корпус магнита свободен в своем вращении относительно кулачка лишь на определенный угол – на исправной раздатке шарики не могут выйти из канавок совсем, поэтому максимальный угол проворота корпуса магнита относительно кулачка не будет превышать 120 градусов (канавки 3, поэтому полный круг 360 градусов / 3 = 120).

При превышении данного угла проворота вращение деталей в кулачковой муфте синхронизируется, т.е. корпус магнита, кулачок и главный вал будут вращаться с одной скоростью – скоростью вращения задней оси.

Таким образом, если возникшее трение в пакете не смогло нивелировать разницу скоростей передней и задней оси, проворот осей неизбежно продолжится. Однако поскольку теперь зубчатый диск, вращающийся синхронно передней оси, притянут к корпусу магнита, вращающемуся со скоростью задней оси, проворот возникнет и между ними.

Что в данном случае будет с шариками? Все то же самое – они будут находиться все в том месте, как и в п. №1 – куда они дошли в момент касания кулачоком нажимного диска.

Что в данном случае может сделать система для увеличения крутящего момента, подаваемого на передний мост? Нужно увеличить силу трения в пакете.

Однако система может управлять лишь одним параметром – током на обмотке электромагнита. Но этого вполне достаточно, ведь если увеличить силу тока, то сила притяжения магнита возрастет в квадрате. Тем самым, увеличится и сила трения между корпусом магнита и зубчатым диском.

Согласно 3 закону Ньютона, чем больше сила трения между корпусом магнита и зубчатым диском, тем большая будет сила, проворачивающая между собой корпус магнита и кулачок. А чем дальше они провернутся, тем больше шарики разопрут кулачковую муфту и тем больше она зажмет фрикционные диски.

Таким образом, нарастание магнитной силы усиливает сжатие зубчатого диска с корпусом магнита и силу трения между ними, что ОТТЯГИВАЕТ момент их взаимного проворота. Тем самым путь, проходимый шариками в канавках, увеличивается, усиливая распор кулачковой муфты и зажатие пакета фрикционов.

ВЫВОД №1: УВЕЛИЧЕНИЕ СИЛЫ ТОКА НА КАТУШКЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТА ПРИВОДИТ К БОЛЬШЕМУ ЗАЖАТИЮ ПАКЕТА ФРИКЦИОНОВ.

Рассмотрим теперь не менее интересные сопутствующие факты:

1. Сопоставление силы сжатия в трущихся парах.

Сила магнитного притяжения, несмотря на невысокую электрическую мощность магнита (около 80 Вт), на мой взгляд, в точке соприкосновения имеет величину десятков килограмм. Экспериментально проверено, что даже при токе в десятые доли ампера оторвать руками зубчатый диск от корпуса магнита не удается. Рабочим (предположительно) является ток около 5А при напряжении 12В, а сила сжатия при этом увеличится в сотни раз.

Вычислить ее даже примерное значение теоретически, к сожалению, невозможно, потому что в расчете участвуют такие параметры, как количество обмоток на магните, характеристики материала, из которого изготовлены детали, форма деталей и прочие.

Что касается силы, сдавливающей пакет фрикционов, то можно провести ряд несложных расчетов.

А) Вычислим крутящий момент, который должен держать исправный пакет фрикционов при равном распределении его между осями:

310 Нм двигателя * 3,8 ПЧ 1-й передачи * 2,48 ПЧ понижающей передачи / 2 оси = 1 460 Нм.

Б) С учетом того, что радиус фрикционного диска примерно 10 см, общая сила трения покоя при этом должна быть 14 600 Н.
Поскольку дисков у нас 11, то трущихся поверхностей столько же, поэтому сила трения на одном диске = 14 600 / 11 = 1 327 Н.

В) Вычислим силу сжатия фрикционов.
Сила трения = коэффициент трения * Силу, сжимающую поверхности.
Отсюда сила, сжимающая поверхности = Сила трения / коэффициент трения.

Подставляем наши данные, получаем:
Сила, сдавливающая фрикционы, равна 1 327 Н / 0,6 (условно, максимальный коэффициент трения между сталью и ферродо) = 2 212 Н, или же 221 кг.

Максимальная сила, сдавливающая фрикционы в раздатке, составляет до 220 кг. Берется она за счет крутящего момента двигателя и понижающих чисел трансмиссии.

Итого: условно 100 кг против 220 кг.

2. Коэффициенты трения.
Трение в паре зубчатый диск-корпус магнита: табличное значение в паре сталь-сталь со смазкой составляет порядка 0,05-0,1.

Что касается коэффициента трения в пакете фрикционов, то он настолько сложен и зависим как от силы сжатия, так и свойств применяемой трансмиссионной жидкости, что описать его силами школьной механики не удастся даже примерно.
В литературе можно найти величину коэффициента трения между сталью и ферродо (материалом тормозных колодок), она составляет 0,45-0,6. Есть соображение, что трение в пакете фрикционов еще выше, однако примем его условно за 0,6.
Итак, сравниваем величину трения в паре зубчатый диск – корпус магнита (сталь-сталь) и в пакете фрикционов (фрикционы по металлу):
0,05-0,1 против 0,6.

3. Силы трения.

Сила трения в пакете фрикционов была вычислена выше – 14 600 Н.
Величину силы трения в другой пары вычислим по той же формуле:
условно 1000 Н * 0,1 = 100 Н, или же 10 Кг.
Итого: 1 460 кг против 10 кг.

Вышеуказанные расчеты показывают, как при помощи небольшой силы трения можно управлять гораздо более значительной силой трения и распределением крутящего момента по осям.

Опять же экспериментально проверено, что прикладывая максимальную силу рук, провернуть фланцы карданов между собой можно при токе на катушке 0,2А. Дальнейшее даже небольшое увеличение силы тока приводит к тому, что силы рук становится недостаточно! И ЭТО ДЕЙСТВИТЕЛЬНО УДИВЛЯЕТ – КАК ТАКОЙ НЕБОЛЬШОЙ МАГНИТ ПРИ НЕБОЛЬШОМ ТОКЕ РАЗВИВАЕТ СТОЛЬ СЕРЬЕЗНУЮ СИЛУ, А ФРИКЦИОНЫ, ДАЖЕ БУДУЧИ ЗАЖАТЫ ДЕСЯТКОМ КИЛОГРАММАМ, СЦЕПЛЯЮТСЯ ПОЧТИ МЕРТВО.

Итак, теперь работа раздаточной коробки ТОД в режиме Auto вполне ясна. Само собой, производитель теоретически вывел зависимость между силой тока на катушке и силой сжатия пакета фрикционов, проверил ее на практике, а далее разработал блок управления и его алгоритмы, построенные на основании таких параметров движения автомобиля, как:

1. Скорость вращения карданных валов;
2. Скорость автомобиля;
3. Положение педали тормоза;
4. Положение педали газа;
5. Положение дроссельной заслонки (для бензина);
6. Показания датчиков вращения колес;
7. Угол поворота руля.

Безусловно, алгоритмы являются весьма сложными, но действительно могут гибко реагировать на изменение условий движения автомобиля и вносить коррективы, управляя распределением крутящего момента по осям.

Вывод 2: система ТОД заслуженно входит в число систем ПОСТОЯННОГО ПОЛНОГО ПРИВОДА.

В качестве заключения ответим на вопросы, поставленные в начале:

1. Яркость индикатора полного привода изменяется пропорционально силе тока на катушке электромагнита;
2. Удар при выключении магнита связан с тем, что одномоментно исчезает магнитная сила, разводящая корпус магнита и кулачок. Зубчатый диск отцепляется от корпуса магнита, корпус магнита под действием пружины, отжимающей кулачок, возвращается в положение покоя шариков, кулачок прижимается к нему, нажим на пакет фрикционов прекращается, корзина фрикционов отцепляется от главного вала, передняя ось отключается.
3. Поскольку даже в режиме полного привода под нагрузкой проворот в пакете фрикционов имеет место быть, получается, что корзина фрикционов вместе с зубчатым диском проворачивается относительно главного вала и корпуса магнита на нем. Так как при этом магнит максимально сильно прижимает к себе зубчатый диск, проворот между ними приводит к износу металла в местах соприкосновения.
4. Производитель не врет и не придумывает, табличные значения распределения по осям можно принять за правду.

Ввиду новых открытий про авторежим предыдущая статья про ТОД была отредактирована, также внесены коррективы в видео:

P.S. Все остальное касательно работы в режимах 2Hi, 4Hi и 4Low ранее было описано верно.
В режиме 2H супертода напряжение на магнит не подается, в режиме 4Hi И 4Low постоянно подается максимальное.

часть 1. Super Select
часть 2. Блокировка. Разбираемся с утверждением «Распределение момента 50/50».
часть 3. Раздаточная коробка Part Time (она же EST)
часть 4. Трансмиссионное масло или ATF?
часть 5. Раздаточная коробка TOD