Актуальная наука: все дело в шариках!

Вы когда-нибудь наблюдали, как пингвины преодолевают покрытые льдом поверхности? Они прыгают на брюшко и, оттопырив вверх крылья, так и скользят. В такой ситуации часто оказываются и автомобилисты, правда, не по собственной воле. Когда у машины колеса перестают слушаться управления, тут что-то общее есть с копытными. Как этого избежать, и при этом грациозно преодолевать на железном коне любые препятствия на дорогах, – эту задачу пытаются решить южноуральские ученые.

Трансмиссия – та часть автомобиля, которая связывает двигатель с ведущими колесами, однажды привлекла внимание двух товарищей по науке Андрея Шелепова и Дениса Истомина. Два аспиранта кафедры колесных и гусеничных машин автотракторного факультета ЮУрГУ заинтересовались ее основным узлом – дифференциалом. И не тем, что повсеместно используют инженеры, а разработкой, патент на которую долгое время пылился на полке одного американского технического бюро.

 "Данный дифференциал при простоте конструкции обладает, можно сказать, уникальными свойствами, но эти свойства еще не изучены окончательно, и нашей задачей является математическое описание работы устройства, выявление законов его функционирования, которые впоследствии можно будет применять для проектирования новых устройств, для получения необходимых качеств автомобиля – таких, как подвижность, проходимость, управляемость, и, вытекающая из этих качеств, – безопасность", – делится Андрей Шелепов.

Согласно бумаге, полученной в США, компонент отличался от привычного конического типа, где в движение его приводят шестерни. На эскизе были изображены шарики. Придумать – придумали, а обосновать его эффективность и подобрать необходимую к нему мощность заморские конструкторы не смогли. И вот за него взялись на Южном Урале. Назвав его "винтошариковым дифференциалом". И сегодня единственная в мире фирма, выпускающая такие устройства, находится в Челябинске.

Данный дифференциал обладает очень простой конструкцией: он состоит из корпуса, двух крышек, цепочки шариков и двух винтовых шнеков. Основным параметром дифференциала, определяющим его рабочие характеристики, является наклон винтовых линий шнека, по которым движутся шарики.

Сам дифференциал нужен автомобилю для того, чтобы ведущие колеса автомобиля могли крутиться с разной частотой. Особая характеристика, которая позволяет автомобилю устойчиво маневрировать. Чем выше ее показатели, тем большей проходимостью обладает железный конь на покрытой, например, льдом или глиной дороге. Уникальность винтошарикового механизма в том, что он способен определять колесо, у которого в данный момент лучше сцепление с дорогой, и именно ему передавать крутящий момент.

"Когда одно из колес автомобиля оказывается на скользкой дороге, оно стремится вращаться с большей частотой, тем самым заставляя цепочку шариков подталкивать полуось второго колеса, подводя к нему необходимый крутящий момент для того, чтобы автомобиль смог продолжить прямолинейное движение", – объясняет молодой ученый.

В отличие от конических дифференциалов, в которых крутящий момент распределяется между ведущими колесами автомобиля поровну. Получается, когда одно колесо оказывается на скользкой поверхности, начинает буксовать, при этом другое может быть абсолютно неподвижно и даже не пытаться двигать машину вперед. "Условия на дороге бывают различные: от асфальтно-бетонной дороги до гололеда и песка. Это все измеряется коэффициентом сцепления дорог – он от 0,1 до 0,9. Эти коэффициенты сцепления мы реализовывали с помощью нагрузочных барабанов", – говорит Денис Истомин.

Так, используя различный коэффициент нагрузки, данные о мощности двигателя и другие показатели, начали искать математическую зависимость, при которой вся система работала бы идеально – будто бы не существует непроходимых поверхностей для автомобиля. Решения первых уравнений стали опробовать на отечественных марках машин. Переоборудовали российский УАЗ, и от стендовых испытаний перешли к натуральным.

"У нас есть автомобиль, куда мы установили опытный образец данного дифференциала, проводили исследования, установили приборы на него. Проводили на полигоне – было полное бездорожье, у автомобиля проходимость улучшилась, уменьшилось количество заносов. Мы проехали там, где раньше не мечтали", – отмечает Денис.

Расчеты подходящих дифференциалов у сотрудников этой лаборатории есть уже для нескольких видов техники. Большая часть из нее российская, как правило, – это грузовики и вездеходы. Но использовать ее первыми, пожалуй, начнут гонщики, для которых маневренность – важнейший показатель качества авто. Основная задача, которую еще предстоит решить, тоже с помощью цифр, – это продление жизни подобной конструкции и уменьшение расхода топлива на нее.

"Так как данный дифференциал является дифференциалом повышенного трения, на сегодняшний день его ресурс несколько меньше, чем ресурс классического конического дифференциала, но со временем исследования позволят приблизить исходные данные к ресурсу уже известных конструкций", – поясняет Андрей Шелепов.

Полученный аспирантами математический закон описывает изменение свойств дифференциала в зависимости от его геометрических параметров. Это формула упрощает работу инженеров на стадии проектирования. Теперь они могут задавать свойства дифференциала под конкретные дорожные условия и конкретный автомобиль, уже не выходя из конструкторского бюро.

"Задача получается многокритериальной: мы увеличиваем проходимость автомобиля путем уменьшения управляемости. Увеличиваются топливные затраты, но при этом, если данные дифференциалы применять в военной технике, то им проходимость будет более важна, чем затраты топлива", – комментирует Денис Истомин.

Сегодня, кроме продвинутых гоночных автомобилей, вряд ли за пределами гаражей и лабораторий можно встретить подобный дифференциал, но выход его за пределы учебных кабинетов, как никто, ждут работники экстренных служб и военные – ведь, несмотря на то, что пока винтошариковый механизм больше подвержен износу, а система на его основе требует больше топлива, мобильность таких автобилей в самых непроходимых условиях невероятно высока. Такая наука.

Анастасия Годына, Карен Исраелян, Виталий Черепанов

Скачайте приложение cheltv.ru

  • Google Play
  • Apple AppStore