Что же такое дифференциал? - Это часть трансмиссии, работа которого состоит в распределении крутящего момента строго поровну между ведущими колесами одного моста (при условии прямолинейного движения автомобиля, а также при одинаковом диаметре колес, сцеплении с дорогой и давлении в шинах), а межмостового дифференциала - в распределении крутящего момента между ведущими мостами, - поровну или в оптимальной пропорции (несимметричный дифференциал).

Свободный дифференциал (простого типа)

Внутреннее устройство дифференциалов бывает различным, а наибольшее распространение получил открытый или, по-другому, свободный дифференциал. Это чисто механическое устройство отличается простотой (обычно в нем всего четыре конических шестерни), компактностью и полностью соответствует своему названию: то есть делит крутящий момент в фиксированном соотношении (обычно 50:50) и никак не препятствует вращению выходных валов с разной скоростью. Но здесь-то и скрыта опасность: если одно из колес попадает на скользкую поверхность и забуксует, то без тяги останется и второе колесо, а сам автомобиль не сможет сдвинуться с места. Знакомая картина?

От этого недостатка избавлены блокируемые дифференциалы. В отличие от свободных, они уже с некоторым усилием стараются замедлить опережающий по скорости вал, увеличивая крутящий момент на отстающем. И хотя звучит это несколько сложно, на самом деле принцип работы подобных устройств прост: проворачиванию валов относительно друг друга препятствует возникающая между ними сила трения, и чем она больше, тем в большей степени крутящий момент смещается в сторону отстающего вала.

Дифференциал с жесткой блокировкой

Крайний случай - дифференциал с жесткой блокировкой, который по команде водителя может намертво соединить выходные валы друг с другом, полностью исключив проскальзывания отдельных колес на бездорожье. В «свободном» же состоянии, когда блокировка отключена, он ничем не отличается от открытого дифференциала, то есть обеспечивает такую же независимость вращения валов.

Подобные модели довольно широко распространены: возможность передать на один вал все 100% крутящего момента двигателя весьма востребована в среде внедорожников, где дифференциалы с жесткой блокировкой встречаются как в качестве межколесных, так и межосевых.

В то же время, далеко выйти за обозначенные границы этим дифференциалам не суждено, ведь на асфальте блокировку нужно каждый раз отключать, иначе трансмиссия будет испытывать чрезмерные нагрузки в поворотах. А значит, автомобиль остается безоружен против проскальзывания колес на неожиданно возникших скользких участках дороги.

Читайте также

Дифференциал с дисковой блокировкой

Разумеется, это не годится для мощных легковых машин, способных провернуть колеса даже на асфальте - для них существуют различные самоблокирующиеся дифференциалы.

Например, механизмы с дисковой блокировкой, часто применяемые в автоспорте и на форсированных версиях дорожных машин. Устроены они почти так же, как и свободные дифференциалы, но валы в них связаны друг с другом посредством подпружиненных фрикционов. То есть в случае пробуксовки дисковая блокировка может добавить на отстающий вал лишь столько ньютонометров, сколько фрикционы способны выдержать до начала проскальзывания. Как правило, это совсем немного - всего несколько десятков Нм, что позволит компенсировать лишь незначительное падение крутящего момента, например, при попадании колеса на пыльный или мокрый асфальт.

А что мешает увеличить силу трения фрикционов? Проблема в том, что, будучи постоянно поджатыми, эти фрикционы препятствуют свободному вращению колес в повороте, что ведет к ускоренному износу шин, самого дифференциала и неоднозначно сказывается на управляемости.

Дифференциал с вискомуфтой

Этих недостатков лишены дифференциалы, блокируемые вискомуфтой. В данном случае перераспределение крутящего момента возникает не в результате трения фрикционов, а за счет свойств особой жидкости на силиконовой основе, которая “умеет” затвердевать при нагреве. В неё помещается два набора пластин, каждый из которых связан со своим выходным валом дифференциала. И пока автомобиль движется без пробуксовок, а, соответственно, и разница в скорости вращения валов невелика, муфта себя никоим образом не проявляет, но, как только один вал начинает существенно обгонять другой, пластины взбивают жидкость, её давление и температура возрастают, вязкость повышается — и вискомуфта тормозит вал. При этом сопротивление может быть столь велико, что блокировка становится практически жесткой - на каждый вал может передаваться 100% крутящего момента!

Почему же тогда вискомуфту не часто встретишь на внедорожниках? Тому есть две причины: первая - это склонность к перегреву во время длительной пробуксовки, вторая - задержка срабатывания, ведь на нагрев жидкости нужно время. Последнее настораживает и производителей мощных легковых автомобилей: медлительность не идет на пользу управляемости. Но есть и те, кому все же удается достичь отличных ездовых характеристик: это и Subaru Impreza, и Nissan 370Z, Nissan Cefiro и полноприводный Lexus IS.

Куда более совершенными являются дифференциалы с винтовой блокировкой, в частности Torsen и Quaife. В отличие от всех предыдущих, созданных по принципу “открытый дифференциал с коническими шестернями + блокировка”, эти модели устроены совсем иначе. Особенность в хитрых червячных передачах: когда на одном из валов падает крутящий момент, шестерни начинает расклинивать и момент тут же перебрасывается на другую ось. То есть дифференциал даже не дожидается начала проскальзывания колеса - он реагирует на ухудшение сцепления с дорогой! При этом чем сильнее водитель жмет на газ, тем “жестче” связь между валами: в пределе на одну ось может приходится до 80% крутящего момента. Получается, что дифференциал “зажимается” тогда, когда надо - в момент разгона, а под сброс газа никак не мешает независимому вращению валов.

Столь логичное поведение и молниеносное быстродействие пригодились в совершенно различных областях: эти дифференциалы можно встретить и на скоростных автомобилях Audi с полным приводом Quattro, и на признанном внедорожнике Toyota Land Cruiser.

Недостаток же у подобных устройств один - беспомощность против диагонально вывешивания, ведь расклинивание шестерен возможно только при наличии хоть какой-то силы сопротивления на проскальзывающем колесе. В тех же условиях дифференциал с дисковой блокировкой будет хоть как-то будет пытаться помочь, а вискомуфта, “схватившись” после нескольких проворотов колеса, и вовсе передаст большую часть момента на противоположный вал.

Дисковое сцепление

Получается, что все дифференциалы - это некий компромисс между проходимостью и управляемостью? Да, но так продолжалось лишь до тех пор, пока электроника, наконец, не добралась и до этого узла автомобиля. Произошло это в середине 80-ых годов, когда Mercedes и Porsche почти одновременно оснастили свои модели дифференциалами с электронноуправляемыми многодисковыми сцеплениями. Конструктивно они напоминали механизмы с дисковой блокировкой, но фрикционы в них поджимались уже не пружиной, а гидроприводом, который по команде блока управления мог ослаблять или наоборот усиливать натяг.

В результате характеристики дифференциала стали определяться с точками программного кода, а конструкторы получили огромные возможности для настройки. Например, для лучшей маневренности можно ослаблять связь между валами на входе в поворот, а, затем, на выходе, наоборот зажимать сцепление для максимально эффективного разгона. Можно и полностью заблокировать дифференциал, и тогда автомобилю не страшно никакое диагональное вывешивание.

Казалось бы, у такого дифференциала нет слабых мест. Но, как и все остальные, он перераспределяет крутящий момент, выравнивая частоту вращения валов. А что если бы дифференциал наоборот заставлял бы один вал вращаться быстрее другого? Ведь тогда он мог бы добавить момент на внешнее к повороту колесо и тем самым помочь “заправить” автомобиль на дугу…

Активные дифференциалы

Так появилась идея активного дифференциала - самого совершенного на данный момент. Пионером в этой области является Mitsubishi, оснастившая им свой Lancer Evolution. Взяв за основу обычный открытый дифференциал, японцы дополнительно соединили выходные валы через две передачи - повышающую и понижающую, включением которых управляет электроника при помощи мокрых сцеплений. Таким образом, задействуя ту или иную передачу, компьютер может заставить один вал крутиться быстрее или медленнее другого! Усилие же, а точнее величина перебрасываемого крутящего момента, регулируется изменением степени

проскальзывания сцепления.

Активный дифференциал устанавливается на заднюю ось автомобиля, наделяя его невиданной устойчивостью в поворотах: там, где любой другой в ответ на прибавление газа уже давно бы “повис” в заносе, автомобиль с таким дифференциалом лишь активнее ввинчивается в вираж. Не страшно и бездорожье - если забуксовало одно колесо, то второе будет стремиться вращаться еще быстрее.

Дифференциал в автомобиле работает с целью осуществления следующих трёх задач:

1. Дифференциал передаёт мощность двигателя на колёса машины.
2. Делает последний шаг в уменьшении числа оборотов к колёсам (мы ведь помним, что первый такой шаг делает коробка передач) и, следовательно, увеличивая крутящий момент , передаваемый тем же ведущим колёсам.
3. Передавая мощность на ведущие колёса (всегда на чётное количество колёс на одной оси: на два или на все четыре), дифференциал позволяет каждому из них вращаться с разными скоростями (это именно то, от чего дифференциал заработал своё название).

В этой статье Вы узнаете, почему Ваш автомобиль нуждается в разных оборотах вращения колёс, как это обеспечивается, что такое дифференциал, как дифференциал работает и каковы его основные недостатки. Мы также рассмотрим несколько его типов.

Для чего нужен дифференциал?

Автомобильные колёса вращаются с разной скоростью, особенно это заметно при повороте. Вы можете видеть в анимации ниже, что каждое колесо проезжает очень разное расстояние, когда автомобиль поворачивает, и что внутренние колёса проезжают гораздо более короткое расстояние, чем внешние. Поскольку скорость равна расстоянию, поделённому на время, необходимое для проезда этого расстояния, то получается, что колёса, которые проезжают меньшее расстояние, вращаются с более низкой скоростью: так, при повороте налево левые колёса будут крутиться медленнее, чем правые, и наоборот. Также следует отметить, что передние колёса проезжают расстояние, отличающееся от того, которое проезжают задние колёса.

Кликните для просмотра анимации

Для автомобилей с приводом только на одну ось колёс - будь то на задние колёса или же на передние - разность вращения передних колёс к задним это не проблема. Нет никакой связи между ними, поэтому они вращаются независимо. Но ведущие колёса связаны между собой так, чтобы один двигатель и трансмиссия должны приводить в движение оба колеса, при этом, с разной скоростью их вращения. Но как же быть, если двигатель у нас всего один?! Если Ваш автомобиль не оснащён дифференциалом, колёса должны быть заблокированы вместе, будучи вынужденными вращаться с одной и той же скоростью. Это сделало бы манёвры поворотов - даже под небольшим углом - сложными: у таких автомобилей, чтобы иметь возможность повернуть, одной из шин обязательно придётся скользить, либо другой обязательно пробуксовывать. А с современными покрышками и асфальтовыми дорогами для этого потребуется достаточно много сил. Эта сила должна будет передаваться через ось от одного колеса к другому, возложив, таким образом, очень тяжёлое бремя на компоненты оси.

Именно с этой проблемой безукоризненно справляется дифференциал.

Что такое дифференциал?

Дифференциал - это устройство, которое разделяет крутящий момент двигателя на два пути с выходами, что позволяет каждому выходу вращаться с различной скоростью.

Дифференциал имеется на всех современных легковых и грузовых автомобилях, а также на многих полноприводных машинах. Причём, все полноприводные авто должны иметь дифференциал между каждым набором ведущих колёс на одной оси, и, кроме того, они нуждаются в дифференциале между парами передних и задних колёс (помните начало статьи - потому что передние колёса проходят другую дистанцию, в отличие от задних колёс при движении автомобиля по направлению, отличному от прямого?).

Тем не менее, некоторые полноприводные машины не имеют дифференциала между передними и задними колёсами, и, вместо этого, эти пары колёс тесно связаны между собой так, что передние и задние колёса должны крутиться с одной и той же скоростью. Вот почему на таких автомобилях производители не рекомендуют ездит по твёрдому покрытию в режиме полного привода, а включать его только на бездорожье.

А теперь давайте выясним, в каком месте автомобиля обычно располагается дифференциал в зависимости от типа привода автомобиля:

Как работает дифференциал?

Мы начнем с простейшего типа дифференциала, называемого открытым дифференциалом . Но сначала мы должны изучить некоторые термины - посмотрите на рисунок ниже, там Вы найдёте основные компоненты работы дифференциала:

Таким образом, дифференциал состоит из следующих основных частей:

1. Ведущий вал - передаёт крутящий момент, ведя его от коробки передач к началу дифференциала
2. Ведущая шестерня ведущего вала - косозубая небольшая шестерня в форме конуса, которая используется для сцепки с механизмом дифференциала
3. Коронная шестерня - ведомая шестерня также в форме конуса, которая приводится в движение (вращение) ведущей шестерней. Ведущая и ведомая шестерня, вместе взятые, называются главной передачей и именно они служат последним этапом уменьшения скорости вращения, которое в конечном счёте достигнет колёс (коронная шестерня всегда меньше ведущей, а, значит, ведущей шестерне придётся сделать намного больше оборотов, пока ведомая сделает всего один оборот вокруг себя).
4. Шестерни полуосей - это последние шестерни на пути передачи вращения от ведущего вала к колёсам.
5. Сателлиты - планетарный механизм, который как раз и осуществляет ключевую роль в обеспечении разности вращения колёс при повороте.
6. Полуоси - валы, идущие от дифференциала непосредственно к колёсам.

А теперь давайте перейдём к ключевому и самому важному понимаю, как работает дифференциал, и посмотрим на анимации ниже, как вышеперечисленные компоненты открытого дифференциала работают в двух случаях:

• Когда автомобиль едет прямо.
• Когда автомобиль поворачивает.

Посмотрите сами - всё достаточно просто:

Нажмите на кнопку "Поворачиваем", чтобы увидеть, как работает дифференциал во время поворота, и "Едем прямо", чтобы посмотреть, как движутся его компоненты во время прямолинейного движения

Как мы видим, когда мы едем прямо на своей машине, то фактически весь механизм дифференциала крутится с одной скоростью: частота вращения входного вала равна частоте вращения полуосей и, соответственно, частоте вращения колёс. Но стоит нам немного повернуть руль, как ситуация меняется, и в свою главную роль вступают теперь сателлиты, которые разблокируются за счёт разности нагрузки на колёса (когда одно колесо пытается пробуксовать, крутясь быстрее), и вся мощность от двигателя теперь проходит через них. А за счёт того, что два сателлита - это две независимые шестерни, получается, что они и передают разную частоту вращения полуосям, как бы раздваивая её, но не деля всю мощность поровну, а передавая наибольшую мощность тому колесу, которое движется по внешнему краю во время поворота автомобиля и, соответственно, раскручивая его сильнее (повышая его количество оборотов). И разность передаваемой мощности при этом тем сильнее, чем круче поворачивает машина (точнее, чем меньше радиус поворота этой машины).

Какой главный недостаток дифференциала?

Открытый дифференциал передаёт вращение тому или иному колесу практически в любом соотношении, в том числе и в соотношении 100%/0% - когда одно из ведущих колёс принимает весь крутящий момент на себя. В то же время распределение такого вращения между колёсами происходит при изменении нагрузки на эти колёса (а вместе с ними на полуоси) - то есть колесо с меньшей нагрузкой в повороте получает больше вращения. Но здесь кроется один существенный недостаток, который имеет место при определённых условиях, а именно, когда оба ведущих колеса находятся в грязи, снегу или на льду, и автомобиль начинает буксовать - в этом случае то колесо, которое имеет меньшее сцепление с поверхностью, будет получать львиную долю вращения. Проще говоря, если Вы, к примеру, застряли в снегу , сев "на пузо" - когда одно колесо сцеплено с поверхностью снега, а второе вовсе висит в воздухе, то получать мощность за счёт соответствующего распределения по полуосям дифференциала будет как раз то колесо, которое находится на весу, и именно оно будет беспомощно крутиться в воздухе. Особенно остро данная проблема стоит у внедорожников и вездеходов.

Какие виды дифференциалов бывают?

Решением этих проблем является дифференциал повышенного трения (LSD, его ещё называют дифференциалом с ограниченным проскальзыванием ). Дифференциалы повышенного трения используют различные механизмы для обеспечения нормального дифференциального действия в различных условиях езды. Когда колесо скользит, такой дифференциал позволяет передать больше крутящего момента как раз на нескользящее колесо.

На внедорожниках и вездеходах также применяются дифференциалы с ручным отключением, которые, впрочем, очень часто не защищены от случайного отключения или отключения не в то время по незнанию - дело в том, что возможность отключения дифференциала на ходу влечёт за собой возможную его поломку, и это распространённая проблема.

Что такое вискомуфта (вязкая муфта)?

Вискомуфта чаще всего встречается во всех полноприводных машинах. И, если Вы читали статью о принципе работы гидротрансформатора , то знайте, что вискомуфта имеет схожую с ним схему работы. Она широко используется для связи задних колёс с передними таким образом, что когда один набор колёс начинает проскальзывать, крутящий момент будет передан на другой набор, тем самым решая злободневную проблему буксующего колеса, описанную выше.

Вязкая муфта имеет два набора пластин внутри герметичного корпуса, который заполнен вязкой жидкостью (несколько более вязкой, чем трансмиссионное масло , к примеру). Один набор пластин соединён с каждым выходным валом. В нормальных условиях оба набора пластин и их порция вязкой жидкости движутся с одной и той же скоростью. Но когда одна ось пытается вращаться быстрее, возможно, потому что она проскальзывает, множество пластин, соответствующих колёсам этой оси, вращаются быстрее, чем другие. Вязкая жидкость, находящаяся между пластинами, пытается догнать более быстрые диски, тем самым ведя за собой к этому и медленные диски. Это передает больший крутящий момент на медленнее вращающиеся колёса, которые как раз и не скользят.

Устройство вискомуфты

Когда автомобиль поворачивает, разница в скорости между колёсами на одной оси не так велика, как тогда, когда одно из колёс попросту проскальзывает. Чем быстрее пластины вращаются относительно друг друга, тем больше крутящего момента приходится на муфту. Муфта не мешает виткам крутиться, потому что величина крутящего момента, передаваемого во время поворота, мала.

Простой эксперимент с яйцом поможет объяснить поведение вискомуфты. Если Вы поставите яйцо на кухонный стол, скорлупа, белок и желток будут неподвижны. Но когда Вы начнёте раскручивать яйцо, скорлупа яйца будет двигаться с более высокой скоростью, чем белок, а белок немного быстрее, ем желток, но желток затем быстро наверстает упущенное. Кстати, чтобы убедиться в этих словах, проведите эксперимент, как только у Вас появится яйцо: раскрутите его достаточно быстро, а затем остановите его, потом просто отпустите яйцо, и оно начнёт снова вращаться (ну, или хотя бы дёрнется в сторону предыдущего вращения). В этом эксперименте мы использовали трение между скорлупой, белком и желтком, применяя силу только на скорлупу. Сначала мы раскрутили фактически скорлупу, и с некоторой задержкой за скорлупой за счёт трения начали раскручиваться белок, а затем и желток. А когда мы остановили скорлупу, то то же трение - между всё еще движущимся желтком, белком и скорлупой - применило силу к скорлупе, заставляя его ускориться. Так и в случае вискомуфты, сила передаётся между жидкостью и наборами пластин таким же образом, как между желтком, белком и скорлупой.

Что такое дифференциал Torsen?

Дифференциал Torsen является чисто механическим устройством: он не завязан никакой , а также муфтами или вязкими жидкостями и по своей сути представляет собой довольно простой механизм, очень схожий с открытым дифференциалом.

Torsen работает также, как и открытый дифференциал, когда величина крутящего момента между двумя ведущими колёсами равная. Но как только одно из колёс начинает терять сцепление с дорогой, разница в крутящем моменте приводит к блокировке вместе шестерен в дифференциале Torsen.

Такой дифференциал часто используется в мощных и очень мощных полноприводных машинах. Как и вискомуфта, он часто используется для передачи мощности между передними и задними колёсами. И в этом применении дифференциал Torsen превосходит вискомусту, потому что передаёт крутящий момент на колёса стабильно перед тем, как фактически начинается скольжение. Однако, если один набор колёс теряет сцепление с дорогой полностью, то дифференциал Torsen будет не в состоянии перенести крутящий момент на другой набор колёс из-за своей конструкции и принципа работы такого дифференциала.

Так выглядит современный дифференциал Torsen

Кстати, почти все автомобили Hummer используют дифференциал Torsen между передней и задней осями. При этом, руководство пользователя для Hummer предлагает новое решение проблемы, когда одно колесо полностью теряет сцепление с дорогой: нажимайте на педаль тормоза . Применяя тормоз, крутящий момент подаётся на колёса, которые находятся в воздухе, а затем переходят к колёсам, которые смогут вытащить автомобиль из "каши".

В повороте любой автомобиль (не важно, полно- или моноприводный) двигается так, что все его колеса проходят разное расстояние и поэтому должны вращаться с разными угловыми скоростями. В противном случае возникают два негативных эффекта:

• высокие «внутренние» нагрузки на трансмиссию и колеса — по сути, разница энергий каждого из колес при их жесткой связи должна как-то утилизироваться внутри трансмиссии (в лучшем случае — расходоваться на преждевременное разрушение шин);
• риск потери управляемости ввиду резкого снижения сцепления колес с дорогой (особенно передних, поворотных) и появления у авто сильной недостаточной поворачиваемости («эффект плуга»).

Т.о., в повороте при прочих равных:

• внешнее колесо всегда вращается быстрее внутреннего (проходит большее расстояние);
• передняя ось всегда вращается быстрее задней (проходит большее расстояние);
• попытка заставить колеса вращаться с равными угловыми скоростями приводит к срыву колес в скольжение и потере контроля над машиной.

Обеспечение вращения в повороте всех колес машины с разными скоростями требует применения на машине по одному дифференциалу на каждой ведущей (т.е. цельной) оси, а для машин требует и межосевого дифференциала. Если межосевого дифференциала нет — полный привод ненастоящий и не может называться постоянным.

[свернуть]

Принцип действия «открытого» дифференциала

Простейшим типом дифференциала является т.н. «открытый» дифференциал . Его задачей является распределение момента между механически связанными колесами так, чтобы каждое колесо вращалось с максимально возможной скоростью. При этом, если одно из колёс теряет опору на твердую поверхность (например, проваливается в снег или яму), то весь момент передается именно на него и оно вращается впустую, а второе, стоящее на твердой опоре, остается неподвижным и не способно сдвинуть автомобиль с места.

Почему так происходит?

Планетарный механизм дифференциала (в данном случае — симметричного, т.е. рассчитанного на передачу равного момента на оба колеса) вращает шестерни полуосей через сателлиты. Сателлит передает равный крутящий момент одновременно на обе полуоси, так как является рычагом с равными плечами относительно собственной оси вращения, через которую сателлит и получает тяговое усилие от чашки дифференциала.

1 - шестерни полуосей; 2,3 - ведомая и ведущая шестерня главной передачи; 4 - сателлиты; 5 - корпус.

При прямолинейном движении с хорошим дорожным сцеплением обоих колес, сателлиты не вращаются вокруг своей оси и передают максимальный крутящий момент с чашки дифференциала на полуоси. Чашка дифференциала, планетарный механизм и полуоси вращаются с равной угловой скоростью как единое целое.

При повороте автомобиля, сателлиты начинают поворачиваться вокруг своей оси, приводя в действие планетарный механизм и обеспечивая разницу в угловых скоростях полуосей, однако продолжают передавать оптимальный крутящий момент на обе полуоси, так как дорожное сцепление обоих колёс остается высоким.

Как только одно из колес начинает терять сцепление с дорогой, усилие, необходимое для его вращения, сразу снижается, и крутящий момент на его полуоси падает. Так как сателлиты могут свободно вращаться вокруг своей оси, уравнивая тем самым крутящий момент на обеих полуосевых шестернях, крутящий момент упадет и на полуоси колеса с хорошим дорожным сцеплением, а так же и на чашке дифференциала, и на всей трансмиссии в целом. В этой ситуации упавшего крутящего момента уже недостаточно для вращения колеса с хорошим дорожным сцеплением, зато вполне достаточно для вращения «свободного» колеса, которое и продолжает вращаться (буксует) благодаря осевому вращению сателлитов. При этом планетарный механизм выполняет роль редуктора, увеличивающего угловую скорость вращения буксующего колеса. В результате, колесо с хорошим дорожным сцеплением останавливается (как и авто в целом), а буксующее колесо вращается с удвоенной угловой скоростью относительно угловой скорости чашки дифференциала. При этом суммарное усилие (крутящий момент) падает на всей трансмиссии, и двигатель работает практически без нагрузки.

Помимо проблем с проходимостью, «открытый» межколёсный дифференциал несет в себе существенные риски управляемости под тягой, т.к. по мере появления под тем или иным ведущим колесом участков с низким коэффициентом сцепления (лед, грязь, вода, песок) вся тяга будет немедленно перебрасываться именно на это колесо, и машину будет резко (часто непредсказуемо) бросать в сторону. К слову — именно на устранение этого отвратительного и опасного явления направлен постоянный полный привод (full-time 4WD) на обычных дорожных машинах.

[свернуть]

Блокируемые дифференциалы

Раскрыть...

В борьбе с бесполезным вращением незагруженного колеса (оси) техническая мысль шла следующими принципиальными путями:

• блокировать дифференциал вручную, в том числе с использованием дистанционного привода (в настоящее время применяется только на дешевых и морально устаревших машинах, либо крайне редко на специальных машинах для сверхтяжелых условий эксплуатации);
• блокировать дифференциал автоматически, в том числе с переменным усилием блокировки (в эту же категорию попадают так называемые «самоблоки», они же «дифференциалы повышенного трения», «LSD»);
• притормаживать свободные колеса с помощью штатных тормозных механизмов (электронно по датчикам ABS).

Перечисленные решения часто применяются в синтезе. Так, на тяжелых полноприводных внедорожниках Mercedes и Toyota применяются и жесткие ручные межколесные блокировки, и автоматическая + принудительная ручная межосевые блокировки, и подтормаживание колес электроникой. Рассмотрим эти решения подробнее.

Дифференциалы с полной ручной (принудительной) блокировкой

Раскрыть...

Дифференциалы с полной принудительной блокировкой фактически имеют только два состояния — распущенное (свободное) и заблокированное. При блокировке дифференциал превращается в простую муфту, жестко связывающую полуоси (или карданы) между собой и постоянно передающую вращение с равной угловой скоростью.

Блокировка достигается либо блокировкой возможности осевого вращения сателлитов, либо жестким соединением между собой чашки дифференциала с одной из полуосей. При этом планетарный механизм блокирован и не распределяет крутящий момент по осям. Передаваемые на полуоси крутящие моменты зависят непосредственно от сцепления каждого из колес с дорогой.

Ниже изображена схема блокировки компании ARB для мостового дифференциала, в которой сателлиты блокируются дистанционным приводом. В основном в таких дифференциалах используются пневматические, электрические, гидравлические или механические приводы. Данный тип блокировки применяется как для мостовых, так и для межосевых дифференциалов.

Ввиду того, что полностью блокированный дифференциал не распределяет полученный крутящий момент поровну между осями, в случае резкой потери сцепления одного из колес, передаваемый крутящий момент на полуоси колеса с хорошим сцеплением также резко возрастет. Поэтому пользоваться такими блокировками надо аккуратно, т.к. усилия мотора может вполне хватить для того, чтобы «сорвать» механизм блокировки или поломать полуось. Применять такие блокировки желательно только на небольших скоростях для передвижения по труднопроходимой местности, так как при их применении в мостах (особенно в рулевых) автомобиль очень сильно теряет в управляемости. Включать такие блокировки можно только на неподвижном автомобиле.

[свернуть]

Кулачковые и зубчатые автоматические блокировки

Раскрыть...

В таких блокировках вместо классического шестерёнчатого планетарного механизма используются кулачковые или зубчатые пары, которые при небольшой разнице в угловых скоростях полуосей имеют возможность взаимно проворачиваться (перескакивать), а при пробуксовке заклиниваются и блокируют полуоси друг с другом. Поскольку такие блокировки срабатывают очень резко, а также способны выдерживать очень большую нагрузку, их в основном ставят на военную и специальную технику. На некоторых моделях таких дифференциалов реализовано отключение одной из полуосей в момент возникновения небольшой разницы скоростей (за счет использования обгонных муфт).

Блокировка Detroit E-Z Locker (компания Tractech):

Блокировка Detroit Locker:

Кулачковая блокировка БТР-60:

[свернуть]

[свернуть]

Дифференциалы повышенного трения (LSD)

Раскрыть...

Limited Slip Differentials — дифференциалы с ограниченным «забеганием» (дословно — «проскальзыванием») забегающей полуоси относительно отстающей, они же самоблокирующиеся дифференциалы («самоблоки») и дифференциалы повышенного трения . Чем выше внутреннее трение в дифференциале, тем выше коэффициент его блокировки – т.е. тем больше крутящего момента дифференциал может перераспределить в пользу небуксующего колеса. По принципу действия самоблоки можно подразделить на два основных типа:

• speed sensitive – срабатывающих при возникновении разницы в угловых скоростях вращения полуосей;
• torque sensitive – срабатывающих при падении усилия (крутящего момента) на одной из полуосей.

Раскрыть...

Данные дифференциалы очень популярны в автоспорте и часто устанавливаются штатно в качестве как межосевых, так и межколесных дифференциалов (например, у Toyota — легковые автомобили Supra, Celica, Rav4, Lexus IS300, внедорожники Hilux Surf, Land-Cruiser, Lexus GX470, автобусы Coaster Mini-Bus). Они не требуют применения специальных присадок к маслу (в отличии от friction-based LSD), однако в них лучше использовать качественное масло для нагруженных гипоидных передач.

[свернуть]

[свернуть]

«Электронные» блокировки — системы контроля тормозных усилий

Раскрыть...

Идея данных систем крайне проста. Раз все машины всё равно в обязательном порядке оснащены системой ABS, которая контролирует с высокой точностью вращение каждого колеса, то почему бы не поручить штатной тормозной системе выборочно подтормаживать колеса, имитируя «настоящие» дифференциальные блокировки. Теоретически, в этом случае можно ограничиться обычными свободными дифференциалами, а работу сложных блокировок возьмет на себя электроника и тормозные механизмы.

На практике вышло несколько сложнее. Обычные тормозные механизмы недостаточно эффективны для самостоятельного сдерживания колес автомобиля в тяжелых внедорожных условиях, быстро изнашиваются и перегреваются от такой нагрузки. Поэтому после периода первоначальных экспериментов (Mercedes ML, BMW X5) роль «электронных блокировок» свели к вспомогательной — т.е. дополнительной, «тонкой» блокировке при имеющихся обычных блокируемых дифференциалах.

Современное машиностроение подразумевает большое количество вариаций автомобильного дифференциала. Это обусловлено тем, что индустрия постоянно развивается: машины имеют не только задний и передний привод, но также и полный. Вдобавок классификация узлов автомобиля разделяется по строению самого механизма. «Начинка» транспортных средств становится сложнее, но даже начинающим автовладельцам стоит знать принцип работы дифференциала.

Назначение

В автомобильной трансмиссии одной из самых важных деталей является дифференциал. Его задача состоит в том, чтобы правильно распределять и изменять крутящий момент двух потребителей, которые имеют различную угловую скорость.

Работа дифференциала заключается в том, чтобы давать правильные сигналы колёсам от коробки передач и напрямую от двигателя. Данный автомобильный узел имеет планетарное строение, что позволяет ему выполнять свою работу, даже если количество оборотов колёс в один промежуток времени имеет различие. Такое возможно, когда авто входит в поворот или начинает буксовать.

Дифференциал позволяет ведущим колёсам автомобиля вращаться с различной угловой скоростью

При всех достоинствах у простых вариантов дифференциалов есть и важные недостатки, и самый главный из них следующий: частота вращения на колёса распределяется не только в соотношении 50/50, но может стать и 100/0, когда, например, автомобиль застревает на льду или в грязи.

Наиболее частыми местами для установки дифференциала считаются:

• Коробка передач, в случае с автомобилями, имеющими передний привод;
• Раздаточная коробка или картер переднего и заднего моста, если авто имеет полный привод;
• Задний мост, на заднеприводных ТС.

Кроме того дифференциал условно делят на несколько разновидностей:

• Червячный, который считается универсальным видом;
• Конический - его чаще ставят между колёсами;
• Цилиндрический - зачастую используется для автомобилей с полным приводом и устанавливается между осями.

Существует также разделение дифференциалов по принципу симметричности. Выделяют симметричные и несимметричные узлы. Каждый из типов используется в определённых ситуациях. Несимметричная конструкция используется в полноприводных автомобилях. Дифференциал устанавливается между осями, и даёт различные пропорции крутящего момента на каждую из них. Для симметричного дифференциала подходит установка на главные оси. Это позволяет распределить между двумя колёсами равный крутящий момент.

Работа дифференциала на заднеприводном автомобиле

По месту расположения разделяют межосевой и межколёсный узел. Межколёсный дифференциал устанавливается между двумя колёсами, которые расположены на одной оси. Межосевой дифференциальный узел монтируется строго посередине между двух параллельных осей.

Устройство и принцип работы дифференциала

Для того чтобы определиться, как работает дифференциал в заднеприводной машине необходимо понять, что задняя ведущая ось вращается при помощи карданной передачи. После этого с помощью редуктора осуществляется поворот полуоси с колесом на ней. Дифференциалу удаётся совместить вышеперечисленные задачи так, чтобы колёса могли крутиться с различной скоростью. На автомобилях с передним приводом местонахождение и принцип работы дифференциального узла отличается. В данном случае крутящий момент от коробки передач сразу попадает на узел. После чего оказывается воздействие непосредственно на валы привода. Что касается полного привода, то для того чтобы ТС могло проезжать по разным участкам дорог, требуется не один, а целых три узла: между осями и между колёсами. В остальном принцип действия не отличается от вышеупомянутых.

Элементы, которые в дифференциале считают основными, это:

• Полуосевые шестерни;
• Шестерни сателлитов;
• Корпус.

Сателлиты по своему строению похожи на планетарный редуктор. Основная функция сателлитов заключается в том, чтобы совмещать корпус и полуосевую шестерню. Шлицы соединяют корпус и шестерню с теми колёсами, которые в автомобиле используются в качестве ведущих.

Если шестерни, используемые в дифференциале, имеют разное количество зубьев и разную направленность крутящего момента, то подобные механизмы относятся к несимметричным. В случае когда у шестерёнок одинаковое количество зубьев - дифференциал симметричный.

Корпус - это «оболочка» узла, его основная часть, в которой размещается остальные части механизма.

Что такое блокировка дифференциала в автомобиле

Блокировка дифференциального узла - это крайне важная функция, которая позволяет на время остановить работу одной из шестерёнок. Это необходимо в том случае, если одно из колёс по каким-либо причинам продолжает крутиться, а второе стоит на месте. Такая ситуация может произойти в случае, когда машина перемещается по неравномерно заледеневшей дороге.

Это интересно! Стоит применять блокировку в случае движения на небольшой скорости по труднопроходимым дорогам. Именно тогда вероятность застрять весьма высока. В других ситуациях блокировать дифференциал не следует, так как автомобиль стремится ехать по прямой и становится практически неуправляемым.

Разновидности механизма по способу блокировки

Временная остановка одного из работающих механизмов спасает не только от пробуксовки, но и от серьёзных проблем с неуправляемыми заносами. Можно заблокировать как колесо, так и половину оси. В зависимости от конфигурации автомобиля устанавливается дифференциал с ручным, самоблокировочным или электронным типом блокировки.

С ручной блокировкой

Дифференциал с ручным способом блокировки считают одним из наиболее примитивных. Отключение в ручном режиме осуществляется при помощи кнопок или рычагов, которые располагаются в салоне автомобиля. Подобный вид чаще всего используется в машинах, которые имеют полный привод, иными словами, во внедорожниках.

Планетарная система принимает форму муфты и блокирует возможность движения сателлитов. Эксперты настоятельно рекомендуют использовать ручную блокировку только после того, как будет выжата педаль сцепления.

Это важно! После блокировки дифференциала следует сбросить скорость на минимум, особенно если в этот момент автомобиль пересекает труднопроходимую местность. После того, как один из узлов заблокируется, будет гораздо сложнее поворачивать, а, значит, транспортное средство будет легче вести по прямой.

Функция ручной блокировки применяется на внедорожниках, которые обладают рамной конструкцией. Желательно использовать ручную блокировку, уже имея хороший стаж вождения, так как управлять таким автомобилем значительно сложнее.

Toyota Land Cruiser 100 является внедорожником, имеющим кнопку блокировки межосевого дифференциала

Транспортные средства, на которых имеется ручная блокировка дифференциала:

• Toyota Land Cruiser;
• Toyota Hilux;
• Шевроле Нива.

Самоблокирующийся

Данный вид узлов хорошо приспособлен к тяжёлым условиям вождения, так как значительно увеличивают проходимость авто. Основной принцип самостоятельной блокировки заключается в том, что определённые условия движения способствуют автоматической блокировке дифференциала. Если разница в полуосях становится слишком значительной, срабатывает механизм насоса, который нагнетает давление масла. После этого пластины начинают сближаться, а скорость колеса снижается. Этот метод позволяет правильно распределить нагрузку на колёса при буксовке или заносе.

Существует множество известных автомобильных самоблокирующихся дифференциалов. Например, узлы фирм Торсен и Квайф. Также примером подобного устройства является модель «speed sensitive». Механизм моментально фиксирует различную скорость вращения осей транспортного средства. Модель автомобиля, где стоит именно этот тип дифференциала - Toyota Rav4 с вискомуфтой. Если одна из осей начинает двигаться с намного большей скоростью, то муфта срабатывает и начинает тормозить движение предотвращая аварийную ситуацию! Как только скорость снижается, сила трения уменьшается и возвращает независимость частям узла.

Работа дифференциала Торсен основана на особенностях работы червячной передачи

На спецтехнике устанавливается другой вариант самоблокирующихся дифференциальных механизмов - кулачковые пары. Примером может послужить «ГАЗ-66». Подобная конструкция значительно увеличивает проходимость машины, однако вполне может создать опасные ситуации, когда дифференциал замыкается самостоятельно. Схема его действия очень проста и понятна: вместо «планетарки» в механизме применяются зубчатые пары. Они вращаются, если в скорости колёс возникают небольшие расхождения, однако если разница увеличиваются, то устройства входят в клин.

С электронным управлением

Блокировка узла в данном случае происходит после передачи датчиками информации в управление. Система управления может не только заблокировать дифференциальный узел, но и автоматически контролировать сцепление и тягу колёс. Датчики контролируют частоту оборотов всех осей, что значительно упрощает задачу управления автомобилем на разных поверхностях дорожного покрытия.

Активного действия

На сегодняшний день активные дифференциалы являются одними из наиболее эффективных в сравнении со своими аналогами. Подобный механизм был изобретён сравнительно недавно, однако уже набрал популярность. Принцип его работы в том, чтобы ускорить действие колёс и полуоси. Несмотря на то, что подобное решение полностью противоположно остальным, такой способ оказался наиболее удачным.

Активный дифференциал задней оси по команде центрального процессора увеличивает тягу на внешнем колесе автомобиля

Подобные разработки не только оптимизируют работу, но и позволяют снизить риски поломки автомобиля. Кроме того уменьшается процентное соотношение аварийных ситуаций на дорогах из-за неправильной работы дифференциала. Постоянное улучшение делает вождение любых наземных транспортных средств более простым, безопасным и удобным. Главное - это своевременно проверять состояние шестерёнок и всех остальных деталей, которые оказывают непосредственное влияние на работу дифференциального узла. От этого зачастую зависит не только безотказность личного автомобиля, но и жизнь водителя и пассажиров.

Прежде чем приступить к рассмотрению дифференциалов, их типов и нюансах работы, сначала мы с вами обратимся к теории. Для чего вообще нужен дифференциал на современных автомобилях и какой принцип его работы?

Дифференциал, как говорит теория, это механическое устройство с особым видом планетарной зубчатой передачи, разделяющий момент входного вала (в нашем случае карданного вала) между выходными валами (полуосями) автомобиля, передающий, момент силы с карданного вала на задние полуоси в заднеприводном варианте или непосредственно от двигателя сразу на полуоси в переднеприводном автомобиле так (дифференциал в расположен в КПП), что угловые скорости вращения этих полуосей могут быть разными по отношению друг к другу и колеса автомобиля проходят разный путь (например в повороте). Опять же, все из теории, во время прохождения поворота колеса автомобиля проходят по различным траекториям, а именно, по внутренней и внешней, отсюда соответственно получается, что колесо вращающееся по внешнему радиусу проделывает (пробегает) больший путь чем то колесо, которое вращается по внутреннему радиусу, а значит, что и скорость такого вращения колес будет разная, т.е. скорость колеса вращающегося (пробегающего) по внутреннему радиусу должна быть меньше той скорости колеса, которое вращается по внешнему радиусу.

В этом как-раз непосредственно и заключается главная задача дифференциала, т.е. правильно распределять скорости вращения валов на выходе и соответственно самих колес.

Предназначение дифференциала автомобилей:

- позволяет ведущим колёсам вращаться с разными угловыми скоростями;

- неразрывно передаёт крутящий момент от двигателя на ведущие колёса.

Основная проблема, появившаяся на заре автомобильной эры, была решена с помощью применения дифференциала, теперь повороты машине можно проходить более безопасно и без пробуксовки колес, а отсюда соответственно и без чрезмерной нагрузки на трансмиссию, на шины и на сами подшипники колес. Но зато появилось другое неудобство.

Простейший дифференциал имеет одну яркую "особенность", благодаря которой он категорически не подходит для сложных, экстремальных дорожных ситуаций.

Когда у ведущих колес 100% сцепление с дорогой, то все будет идти хорошо и дифференциал будет исполнять свою функцию просто идеально, но стоит одному из колес попасть в ситуацию когда оно (шина) потеряет сцепление с дорогой, или попадет на другой тип грунта или на лед, то начнет вращаться именно то колесо, которое потеряло сцепление, а противоположенное стоящее на более цепком грунте просто останется неподвижным.

Не вдаваясь в сами нюансы работы механизма можно просто констатировать факт, что дифференциал не меняет свой крутящий момент, он просто перераспределяет мощность между колесами и такая мощность будет всегда больше на том именно колесе, которое вращается быстрее. При пробуксовке колеса сопротивление его и крутящего момента будет минимальным, а значит чрезвычайно малым будет и крутящий момент передающийся с самого двигателя непосредственно на колесо, а значит и на противоположенном колесе этот крутящий момент будет ему соответствовать, то есть он будет минимальным.

В этой связи инженеры и автопроизводители большинства автокомпаний начали искать новое решение с этой проблемой. Появилось большое количество (различных видов устройств) дифференциалов. Основные виды таковых нам и хотелось бы освятить в данной статье. А также нам хотелось бы рассказать своим читателям и об основных преимуществах и конкретных недостатках тех или иных видов этих устройств, и еще, на каких современных автомобилях можно сегодня встретить тот или иной тип дифференциалов.

Свободный дифференциал (Open Differential).

Суть его работы.

Разделяет крутящий момент двигателя на две оси, каждая из которых способна вращаться с различной скоростью.

Недостатки.

При потери сцепления колеса с дорогой крутящий момент на противоположном колесе тоже снижается (падает). В худшем варианте, у застрявшего автомобиля одно колесо будет свободно вращается, в то время, как противоположенное с лучшим сцеплением не сможет просто передать поверхности (дороге) достаточно крутящего момента, чтобы сдвинуть автомобиль с места.

Современные системы управления тягой компенсируют это, путем применения тормозов к потерявшему сцепление колесу. Но данный подход к проблеме помогает лишь отчасти, более сложный дифференциал, как правило действует быстрее и он более эффективен, чем тот же стандартный тип такого механизма.

Устанавливается на большинство автомобилей у которых "отсутствуют претензии" на нехватку большой мощности (они достаточно мощные), или у которых "отсутствуют амбиции" к любому бездорожью (внедорожники), а также на семейные седаны, и т.д.

Блокируемый дифференциал (Locking Differential).

Как он работает.

При заблокированном дифференциале колеса машины будут постоянно вращаться с равными скоростями. В песке, в грязи и на снегу заблокированный дифференциал гарантирует, что крутящий момент продолжит поступать на колеса с более высокой тягой.

Недостатки.

В незаблокированном виде данный механизм ведет себя точно также, как и свободный дифференциал. Блокировка дифференциала на поверхности с высоким уровнем сцепных свойств, как например, на том же сухом асфальте, затрудняет поворачиваемость автомобиля и может нанести серьезный вред автомобильной трансмиссии.

На каких автомобилях его можно обнаружить.

Wrangler, ; опционально его можно поставить на большинство полноразмерных джипов и пикапов.

Самоблокирующийся дифференциал (Limited-slip Differential). Дифференциал повышенного трения.

Как он работает.

Самоблокирующийся дифференциал совмещает в себе две концепции,- свободную и блокируемую системы дифференциалов. Он способен функционировать большую часть времени как обычный дифференциал, а в нужный момент автоматически блокироваться, т.е. в тот момент, когда происходит проскальзывание одного из колес. Блокировка достигается за счет вязкостной муфты, или фрикционной муфты, или за счет сложной системы гидророторного типа. В военных автомобилях ставятся зубчатые или кулачковые самоблокирующиеся дифференциалы.

Недостатки.

Чисто механические дифференциалы повышенного трения являются реактивными. То есть, они не блокируются пока не произошла пробуксовка колеса.

На каких автомобилях его можно обнаружить.

со Sport пакетом (с вискомуфтой), (clutch-type), (helical gears).

Самоблокирующийся дифференциал с электронным управлением (Electronically Controlled Limited-slip Differential).

Как он работает.

Преимущества такого электронного управления в том, что повышается тяга в повороте и степень блокировки дифференциала можно настроить.

Например, если компьютер автомобиля определяет, что в повороте у него (автомобиля) избыточная поворачиваемость, то он может сильнее заблокировать дифференциал для того чтобы стабилизировать автомобиль.