КАК РАБОТАЮТ ДИФФЕРЕНЦИАЛЫ

В этой статье мы расскажем о работе дифференциалов, а также зачем он необходим автомобилю и о его недостатках.

Что такое дифференциал?

Дифференциал – это устройство, которое распределяет крутящий момент по двум направлениям, допуская вращение каждого выхода с разной скоростью. Он используется во всех современных автомобилях и грузовиках, а также на машинах с постоянным полным приводом. Причем в последних - между каждой парой колес, потому что передние проходят разный путь в повороте по сравнению с задними. Системы непостоянного полного привода не имеют дифференциала между передними и задними колесами; вместо этого во время механической блокировки передние и задние колеса вынуждены вращаться с одинаковой средней скоростью. Вот почему такие системы полного привода не рекомендуют использовать на сухом асфальте: с включенным полным приводом машина тяжело поворачивается на асфальте.

Дифференциал выполняет сразу 3 функции:

Направляет мощность двигателя на колеса;

Является последним этапом понижения передачи в машине, замедляя частоту вращения трансмиссии перед тем, как мощность пойдет на колеса;

Направляя мощность на колеса, позволяет им вращаться с разными скоростями (это свойство дало имя дифференциалу).

Зачем нужен дифференциал

Колеса машины вращаются с разными скоростями, особенно в поворотах - внутренние колеса проходят меньший путь, чем наружные, а значит, и с меньшей скоростью. При этом передние колеса проходят разное расстояние по сравнению с задними. Если бы машина не имела дифференциалов, то колеса вращались бы с одной и той же скоростью. Это сильно затруднило бы повороты: чтобы поворачивать, одно колесо должно было бы проскальзывать, т.е. буксовать. Усилие от одного колеса через ось переходило бы, серьезно нагружая ее компоненты.

Открытые дифференциалы

Начнем с простейшего варианта, называемого открытым дифференциалом. Когда машина едет по прямой, оба ведущих колеса вращаются с одинаковой скоростью. Первичная шестерня вращает коронную шестерню и корпус дифференциала, при этом ни одна из шестерен в корпусе не вращается – обе полуосевые шестерни заблокированы, так как движение идет по прямой. Обратите внимание, что пара “первичная шестерня и коронная шестерня” - это последнее передаточное число в машине, которое часто называют передаточным числом моста или передаточным числом главной передачи. Если оно составляет 4,10, тогда число зубьев коронной шестерни в 4,10 раза больше числа зубьев первичной шестерни. При повороте подключаются полуосевая и ведущая шестерни, обеспечивая разные скорости для колес.

Дифференциал в разрезе. Классические автомобильные дифференциалы основаны на планетарной передаче. Карданный вал (1 ) через коническую зубчатую передачу вращает ротор (2 ). Ротор через шестерни (3 ) вращает полуоси (4 ). Такое зацепление имеет не одну, а две степени свободы, и каждая из полуосей вращается с такой скоростью, с какой может. Постоянна лишь суммарная скорость вращения полуосей

Бездорожье

Это еще одна ситуация, когда простой дифференциал может привести к проблеме. Допустим, у вас полно¬приводный внедорожник или «паркетник» с открытым дифференциалом на передней и задней оси. Как мы упоминали ранее, открытые дифференциалы подают всегда одинаковый крутящий момент на оба колеса. Если одно из передних и одно из задних колес повиснут в воздухе одновременно, то они будут беспомощно крутиться в воздухе, а автомобиль вообще не сможет двигаться вперед. Решение этой проблемы – дифференциалы повышенного трения (limited slip differential (LSD)). Они используют различные механизмы, чтобы работать, как обычные дифференциалы при поворотах. При скольжении одного колеса дифференциалы повышенного трения позволяют подавать больше крутящего момента на колесо с тягой.

Дифференциалы с постоянным моментом блокировки

Этот вид дифференциалов повышенного трения использует все элементы открытого дифференциала, добавляя пружины и набор сцепления. В некоторых используется конусообразное сцепление, подобно синхронизаторам механической КПП. Пружины толкают полуосевые шестерни, которые закреплены на корпусе дифференциала, на сцепление. Сцепление срабатывает при возникновении разницы в скоростях вращения колес оси, например в повороте. Сцепление сопротивляется разнице в скорости вращения колес. Если одно колесо пытается вращаться быстрее другого, ему сначала надо преодолеть сцепление. Жесткость пружин и трение сцепления определяют значение крутящего момента на преодоление сопротивления. Вернемся к ситуации, когда одно колесо имеет сцепление с дорогой, а второе находится на льду. Дифференциалы с постоянным моментом блокировки даже при нахождении одного колеса на льду без тяги позволяют передать крутящий момент на другое колесо. Крутящий момент, идущий на колесо не на льду, равен максимальному усилию на преодоление сопротивления сцепления внутри дифференциала. В результате автомобиль продолжает движение с ограниченной мощностью.

Вискостная муфта

Вискостная муфта часто применяется в полноприводных автомобилях для соединения передней оси с задней. Когда передняя ось начинает буксовать, крутящий момент идет на заднюю. Вискостная муфта представляет собой набор дисков внутри закрытого корпуса, заполненного тягучей жидкостью. Каждый набор дисков соединен с выходной полуосью. В нормальных условиях оба набора дисков и жидкость вискомуфты вращаются с одинаковой скоростью. Когда один из мостов пытается вращаться быстрее, например при пробуксовке, соответствующий ему набор дисков начинает вращаться быстрее, чем другой. Вискостная жидкость, которая находится между дисками, пытается догнать ускорившиеся диски, увлекая за собой медленные диски, передавая больший крутящий момент на медленные колеса, то есть на те, которые не буксуют. Чем больше разница в скорости вращения между дисками, тем больший крутящий момент передает вискостная муфта. Она не вмешивается в повороты, потому что получаемый крутящий момент очень мал. Кстати, в этом состоит ее основной недостаток: крутящий момент не передается, пока колесо не начнет буксовать.

Блокирующийся дифференциал и Торсен (Torsen®)

Блокировка дифференциала используется для внедорожников. Она добавляет к свободному дифференциалу электрический, пневматический и гидравлический механизм, чтобы жестко соединить шестерни между собой. Этот механизм включается водителем вручную, и во включенном режиме оба колеса вращаются с одинаковой скоростью. Если одно из колес окажется в воздухе или на льду, это никак не влияет на второе. Оба колеса продолжают вращаться с одинаковой скоростью, как будто ничего не случилось. Дифференциал Torsen (означет – чувствующий момент – Torque Sensing) – это чисто механическое устройство; в нем нет электроники, сцеплений и вискостных жидкостей. Дифференциал Torsen – это несколько червячных передач, вращающихся внутри герметичного цилиндрического корпуса. От углов наклона червяков и применяемых материалов зависит коэффициент блокировки. Он определяет, когда и какой дополнительный момент должен перейти на ось, имеющую лучшее сцепление с дорогой. Но как только одно из колес теряет тягу, разница в крутящем моменте колес вынуждает зацепляться шестерни Torsen. Форма шестерен в этом дифференциале определяет коэффициент передачи крутящего момента. Например, если конкретный дифференциал Torsen сконструирован с передаточным числом 5:1, то он способен увеличивать вплоть до 5 раз крутящий момент на колесо с хорошей тягой. Дифференциал Torsen часто находит применение в спортивных полноприводных машинах. Подобно вискомуфте, он используется для передачи крутящего момента между передней и задней осью. В этом случае дифференциал предпочтительнее вискомуфты, потому что передает крутящий момент на колеса до того момента, как начинается пробуксовка. Определяющей характеристикой Torsen стало передаточное соотношение крутящего момента TBR (Torque Bias Ratio). Типичные значения – от 2 до 6.

Дифференциалы и тяга

Открытый дифференциал всегда подает одинаковый крутящий момент на каждое колесо. Существуют два фактора, от которых зависит количество крутящего момента на колеса: мощность и тяга. На сухой дороге, когда тяга в избытке, количество крутящего момента ограничено возможностями двигателя до колес; в условиях слабой тяги, например при езде по льду, количество максимального крутящего момента равно тому значению, при котором колесо начинает проскальзывать в данных условиях. Итак, даже если машина может произвести больше крутящего момента, необходима тяга, чтобы передать его к дороге. Если дать больше газа в момент пробуксовки, колеса просто начнут больше проскальзывать.

На льду

Рассмотрим, что происходит, если одно колесо буксует, а другое имеет хорошее сцепление со льдом. Вот тут проявляется слабость открытых дифференциалов. Дело в том, что открытые дифференциалы подают всегда одинаковый крутящий момент на оба колеса, а его максимальное значение – это момент начала пробуксовки. На льду не надо иметь большой крутящий момент, чтобы заставить колеса пробуксовывать. Когда колесо с хорошей тягой получает лишь тот ограниченный крутящий момент, который может быть направлен на колесо с меньшим сцеплением, машина не может быстро ехать.

Основная задача трансмиссии в конструкции любого автомобиля – изменение передаточного числа, полученного от силовой установки и передача вращения на ведущие колеса.

Если рассматривать конструкцию заднеприводного автомобиля, то в состав его трансмиссии входит коробка передач (она меняет передаточное число), карданная передача (посредством ее осуществляется передача вращения на заднюю ведущую ось) и редуктор (передает вращение на полуоси, к которым крепятся колеса). Но в этой конструкции есть одна особенность – колеса в определенных случаях должны вращаться с различной скоростью. И чтобы это осуществить, в редуктор добавили еще один узел – дифференциал автомобиля.

1 - коробка сателлитов дифференциала правая;
2 - болт коробки сателлитов;
3 - опорная шайба шестерни;
4, 8 - полуосевые шестерни;
5 - опорная шайба сателлита;
6 - сателлиты;
7 - ось сателлитов;
9 - левая коробка сателлитов дифференциала.

Для чего нужен дифференциал

При прямолинейном передвижении дифференциал, в принципе и не нужен, поскольку ведущие колеса крутятся с одной скоростью. Но ведь часто возникает надобность проходить и повороты. При этом колеса идут по различным радиусам, то есть пройденное расстояние при повороте у колес одной оси отличаются. Движущееся по внутреннему радиусу колесо проходит значительно меньший путь, чем идущее по внешнему.

Если при этом обеспечить равную передачу вращения на каждое из колес, то одно из них начнет пробуксовывать, при этом и возникает большая нагрузка на элементы трансмиссии. В результате происходит повышенный и высока вероятность повреждения приводных элементов.

Чтобы этого не произошло, требуется перераспределение вращения на колеса в соответствии с условиями движения. Другими словами нужно, чтобы при прохождении поворота движущееся по внутреннему радиусу колесо – замедлилось, а идущее по внешнему – ускорилось. Именно это и обеспечивает добавленный в конструкцию трансмиссии авто дифференциал.

Виды и их особенности дифференциалов

Видео: GPS Навигатор — описание и тест

Видов дифференциалов по месту установки – два:

1. Межколесный.
2. Межосевой.

Первый используется на всех легковых авто с одной ведущей осью, и в его задачу входит только выполнение своей функции. На заднеприводных авто он располагается в заднем мосту и устанавливается на редуктор. То есть редуктор передает вращение на полуоси не напрямую, а через дифференциал.

Что касается переднеприводных авто, то из-за отсутствия карданной передачи и моста с редуктором, вращение от передается напрямую на дифференциал (они размещены в одном корпусе), а от него уже оно поступает на приводные валы.

Межосевой дифференциал используется на полноприводных авто, у которых обе оси являются ведущими. Там он нужен для того, чтобы правильно распределять получаемое вращение по осям при движении по неровностям. К примеру, авто движется на подъем, в результате чего задняя ось находится в низком положении относительно передней. В результате происходит перераспределение массы авто, она начинает больше давить на задок, и установленный узел в этом случае повышает крутящий момент на задних ведущих колесах. И все выполняется с точностью до наоборот на спусках.

При этом на полноприводных авто также требуется распределение вращения и на колесах, поэтому у них в общей сложности используется 3 дифференциала (1 – межосевой и 2 – межколесных).

Конструкция, принцип работы дифференциала

Дифференциалы, используемые на авто, делаются на основе обычного редуктора планетарного типа. Основными его составными компонентами являются:

• корпус, он же — чашка (выполняет роль ведущего элемента);
• сателлиты;
• ведомые шестеренки;

Видео: Как работает дифференциал / How Differential Steering Works (на русском)

Эта конструкция может использовать разные виды зубчатых передач:

1. Цилиндрические.
2. Конические.
3. Червячные;

Видео: Дифференциал, обзор конструкции, принцип действия

Редуктор состоит из двух шестерён (малой ведущей и большой ведомой). Часто ведомую из-за ее размера называют еще зубчатым колесом. Вот к ней и крепиться чашка при помощи болтового соединения. Внутри чашки сделаны оси для крепления сателлитов. Количество их может варьироваться в зависимости от значения крутящего момента. На легковых авто, где усилия не особо высокие, устанавливается по два сателлита, на внедорожниках же их количество может составлять 4 штуки.

Сателлиты находятся в постоянном зацеплении с правой и левой ведомыми шестернями (вторые получаются зажатыми между первыми). Ведомые шестеренки закрепляются посредством шлицевого соединения на полуосях (в переднеприводных авто они соединены с приводными валами).

Количество зубьев на ведомых шестернях может быть как одинаковым (симметричный дифференциал), так и разным (ассиметричный). Первый тип обеспечивает распределение вращения по полуосям (приводным валам) в равном соотношении, а у второго это выполняется в строго определенных значениях.

Из-за этих особенностей симметричный тип используется в качестве межколесного, а ассиметричный – межосевого дифференциалов.

Работает планетарный узел так: во время прямолинейного движения оба колеса ведущей оси получают одинаковое сопротивление от дорожного полотна. Вращение, получаемое от коробки передач передается на ведомое зубчатое колесо редуктора, а вместе с ним и крутиться чашка дифференциала с размещенными в ней сателлитными осями. Поскольку сопротивление одинаково, то сателлиты осуществляют передачу крутящего момента на ведомые шестеренки в одинаковых соотношениях, то есть скорость вращения их, а вместе с ними и полуосей, равна. При этом сателлиты лишь передают вращение, сами же они остаются неподвижными относительно своих осей.

При вхождении в поворот, колеса начинают двигаться по разным радиусам. При этом, идущее по внутреннему радиусу получает большее сопротивление, чем внешнее. Это сопротивление обеспечивает замедление вращения ведомой шестеренки, из-за чего сателлиты начинают крутиться на осях. В результате начала движения сателлитов, скорость вращения полуоси наружного колеса возрастает, то есть происходит изменение угловых скоростей полуосей (приводных валов). Примечательно, что общая скорость вращения обеих полуосей соответствует скорости вращение зубчатого колеса редуктора, но увеличенной вдвое. При этом крутящий момент от разницы угловых скоростей не меняется, и он разделяется на ведущие колеса равномерно.

В результате такой работы узла при прохождении поворотов удается избежать появления пробуксовки и увеличения нагрузки на элементы трансмиссии.

Блокировка дифференциала

Блокировка дифферециала с гидроприводом включения

Но у автомобильного дифференциала есть существенный недостаток, который проявляется в случае, когда сопротивление вращению на одном из колес полностью пропадает (к примеру, оно попало на скользкий участок дороги). В результате особенностей работы, у колеса, потерявшего сопротивление дороги, максимально возрастает угловая скорость. То есть, по сути, все вращение передается только на него, в то время как второе колесо из-за сопротивления останавливается.

В результате автомобиль обездвиживается, поскольку из-за низкого сопротивления на одном колесе падает и крутящий момент на нем. А поскольку дифференциал работает симметрично, то на втором колесе момент тоже очень мал, и его явно недостаточно, чтобы заставить его вращаться. Чтобы решить такую проблему, достаточно лишь замедлить вращение буксующего колеса, тем самым повысив крутящий момент на нем, и соответственно, на втором колесе. И для этого применяются блокировки дифференциала.

Видео: GБлокировки дифференциала для УАЗа, разновидность и принцип работы

Все просто – если обеспечить жесткое соединение одной полуоси с чашкой дифференциала, то она просто не сможет вращаться быстрее, чем шестерня редуктора. Из-за этого не будет происходить перераспределение вращения, крутящий момент на обеих полуосях будет одинаковым, и его хватит, чтобы обеспечить вращение и колеса, на котором имеется сопротивление, то есть автомобиль сможет двигаться даже в случае потери сопротивления на одном из колес.

Блокировки дифференциала различаются по степени блокирования и бывают они с:

1. Полной.
2. Частичной блокировкой.

Полная описана выше и указывает она на то, что происходит жесткое соединение элементов дифференциала машины, по сути, он просто прекращает выполнять свои функции и крутящий момент подается равно на обе полуоси.

В частичной же блокировке передача усилия между составными элементами узла ограничена определенной величиной, что обеспечивает повышение крутящего момента на колесе, получающем повышенное сопротивление.

Управление блокировкой

Блокировка может устанавливаться на любой автомобильный дифференциал, как межколесный, так и межосевой. При этом в полноприводных авто передний межколесный дифференциал обычно не оснащают блокировкой, чтобы не оказывать влияние на управляемость авто. Задействование же блокировки, если она имеется, может осуществляться в ручном и автоматическом режиме.

Ручное включение подразумевает принудительное блокирование дифференциала, то есть оно задействуется только когда нужно. При этом водитель задействует привод, в результате чего происходит жесткое соединение составных элементов дифференциала между собой.

Привод блокировки может быть:

• механический;
• гидравлический;
• пневматический;
• электромеханический;

Основной недостаток ручного управления крыт в надобности соблюдения условий эксплуатации. Так, заблокированный дифференциал может повредить трансмиссию в случае, когда оба колеса окажутся на дороге с хорошими сцепными свойствами. Такое может произойти, к примеру, когда водитель забыл разблокировать дифференциал в авто после преодоления бездорожья.

Виды самоблокирующихся дифференциалов

Дифференциалы, у которых блокирование происходит в автоматическом режиме, называются самоблокирующимися. В них, при определенных условиях происходит самостоятельная блокировка, без какого-либо участия водителя. Точно также он и разблокируется.

Видео: Кардан Главная передача Дифференциал

Самый простой самоблокирующийся дифференциал – дисковый, имеющий в своей конструкции дополнительный элемент – пакет фрикционных дисков, одна часть которого жестко соединена с чашкой дифференциала, а вторая – с одной из осей. При этом диски прижаты друг к другу.

Действует такая блокировка очень просто: при прямолинейном движении машины чашка и полуось вращаются с одной скоростью, а вместе с ними и фрикционный пакет.

В случае повышения угловой скорости на одной из полуосей, она начинает вращаться быстрее чашки. При этом одна часть фрикционного пакета (закрепленная на оси) ускоряется относительно второй. А поскольку они прижаты, то между ними возникает сила трения, которая и препятствует повышению угловой скорости, соответственно крутящий момент на колесе с большим сопротивлением повышается.

Примерно так же действует и вязкостная муфта, она же вискомуфта, которая сейчас является достаточно распространенным способом заблокировать дифференциал в автоматическом режиме. Но из-за больших габаритных размеров ее в качестве межколесной блокировки не используют. Муфта устанавливается только на межосном дифференциале, как вспомогательное устройство, а в некоторых случаях она полностью его заменяет.

Конструкция этой муфты такая: имеется герметичный корпус, с помещенным в нее пакетом дисков, одна половина которого жестко связана с ведущим валом (от которого подается вращения) а вторая – с ведомым.

Вискомуфта в разобраном состоянии

Все пространство между дисками заполнено дилатантной жидкостью, особенность которой заключается в повышаемой вязкости при перемешивании.

Действует вискомуфта примерно также же, как и дисковая блокировка. Пока валы вращаются с одной скоростью, перемешивание жидкости, расположенной между дисками, не происходит. Но как только появляется разница в скоростях вращения, диски начинают мешать жидкость из-за чего она становиться более вязкой. В результате повышения вязкости жидкости, которая при большой разнице скоростей может стать практически твердой, выравнивается угловая скорость на валах.

Существует также электронная блокировка дифференциала, которая используется на межколесном дифференциале автомобиля. Причем в качестве основного рабочего элемента в ней выступает антиблокировочная система тормозов.

Такая блокировка имеет свое обозначение – , суть работы которой сводится к тому, что в случае увеличения угловой скорости на одном ведущем колесе, тормозная система притормаживает его, тем самым повышая крутящий момент на другом колесе.

Служит для распределения подводимого к нему вращающего момента между выходными валами и обеспечивает возможность их вращения с неодинаковыми угловыми скоростями.

При движении колесного ТС на повороте внутреннее колесо каждой оси проходит меньшее расстояние, чем ее наружное колесо, а колеса одной оси проходят разные пути по сравнению с колесами других осей.

Неодинаковые пути проходят колеса ТС при движении по неровностям на прямолинейных участках и на повороте, а также в случае прямолинейного движения по ровной дороге при разных радиусах качения колес, например при неодинаковом давлении воздуха в шинах и износе шин или неравномерном распределении груза на ТС.

Если бы все колеса вращались с одинаковой скоростью, это неизбежно приводило бы к их проскальзыванию и пробуксовыванию относительно опорной поверхности, следствием чего явились бы повышенный износ шин, увеличение нагрузок в механизмах трансмиссии, затраты мощности двигателя на работу скольжения и буксования, повышение расхода топлива, а также трудность поворота транспортной машины. Таким образом, колеса ТС должны иметь возможность вращаться с неодинаковыми угловыми скоростями относительно друг друга. У неведущих колес это обеспечивается тем, что они установлены свободно на своих осях и каждое из них вращается независимо друг от друга. У ведущих колес это обеспечивается установкой в их приводе дифференциалов.

Основные типы дифференциалов

По месту расположения дифференциалы подразделяют на:

• межколесные (распределяющие вращающий момент между ведущими колесами одной оси)
• межосевые (распределяющие момент между главными передачами двух ведущих мостов)
• центральные (распределяющие момент между группой ведущих мостов)

По соотношению вращающих моментов на ведомых валах дифференциалы могут быть:

• симметричными (моменты на ведомых валах всегда равны между собой)
• несимметричные (отношение моментов на ведомых валах не равно единице)

Различают также дифференциалы:

• неблокируемые
• блокируемые принудительно
• самоблокирующиеся

По конструкции дифференциалы подразделяют на:

• конические
• цилиндрические
• кулачковые
• червячные

В некоторых случаях вместо дифференциалов устанавливают механизмы типа муфт свободного хода.

В настоящее время на колесных ТС наиболее широкое распространение получили конические симметричные неблокируемые дифференциалы.

Видео: Как работает дифференциал?

Схемы дифференциалов

Рис. Схемы простых дифференциалов с постоянным соотношением моментов на ведомых валах: а — симметричного конического; б — симметричного цилиндрического; в — несимметричного цилиндрического; г — несимметричного конического; 1, 8 — левая и правая полуоси дифференциала; 2, 6 — левая и правая полуосевые шестерни; 3 — сателлит; 4 — корпус дифференциала; 5 — ведомое колесо главной передачи; 7 — ось вращения сателлитов; 9 — солнечная шестерня; 10 — эпициклическая шестерня

Рис. Межколесный симметричный конический дифференциал: 1, 8 — чашки дифференциала; 2, 7 — опорные шайбы полу осевых зубчатых колес; 3, 6 — полу осевые зубчатые колеса; 4 — опорная шайба сателлита; 5 — сателлиты; 9 — крестовина

Рис. Схемы несимметричных дифференциалов: а - конический; б - цилиндрический

Рис. Кулачковый дифференциал автомобиля ГАЗ-66-11 (а) и схема его работы (б): 1 - внутренняя звездочка; 2 - сепаратор; 3 - наружная звездочка; 4 - чашка дифференциала; 5 - сухарь

Рис. Блокируемый межколесный дифференциал: 1 - муфта; 2 - зубчатый венец

Рис. Межосевой дифференциал автомобиля КамАЗ-5320: 1 - ведущий вал; 2 - уплотнительная манжета; 3 - картер дифференциала; 4, 7 - опорные шайбы; 5, 17 - чашки дифференциала; 6 - сателлит: 8 - датчик блокировки; 9 - пробка заливного отверстия; 10 - пневматическая камера блокировки; 11 - вилка; 12 - стопорное кольцо; 13 - зубчатая муфта; 14 - муфта блокировки; 15 - сливная пробка; 16 - зубчатое колесо привода среднего моста; 18 - крестовина; 19 - зубчатое колесо привода заднего моста; 20 - болт крепления чашек; 21 - подшипник; 22 - крышка подшипника

Рис. Работа межколесного дифференциала: а - общая схема; б - при движении прямо; в - при повороте; 1 - корпус дифференциала; 2, 5 - полуосевые зубчатые колеса; 3 - крестовина: 4, 6 - сателлиты; 7 - ведущее зубчатое колесо главной передачи; 8, 9 - полуоси; 10 - ведомое зубчатое колесо главной передачи

Рис. Межосевой дифференциал Torsen: 1, 3 — правая и левая полуосевые шестерни; 2 — корпус дифференциала; 4 — сателлит, связанный с правой полуосевой шестерней; 5, 7 — выходные валы дифференциала; 6 — сателлит, связанный с левой полуосевой шестерней

Дифференциал выполняет две функции:

• передача энергии двигателя колёсам, позволяя им вращаться с разной скоростью;
• уменьшение передаточного числа от двигателя к колёсам;

Для чего нужен дифференциал.
Когда Вы поворачиваете, колёса автомобиля вращаются с разной скоростью. Вы, можете убедиться в этом посмотрев анимацию, там же, видно, что колёса проходят разный путь, колесо, которое движется по меньшему радиусу проходит меньший путь. Это также можно видеть из формулы, которая описывает длину окружности L=2*pi*r, меньше радиус - меньше путь. Заметим также, что траектория передних и задних колёс отличается.

Для переднеприводного автомобиля ведущие колёса передние, для заднеприводного соответственно задние. Ведущие колёса соединены друг с другом таким образом, что двигатель или трансмиссия могут вращать сразу оба колёса. Другая пара колёс, назовём их ведомыми, не связаны жёстко между собой и могут вращаться независимо друг от друга. Если бы на вашем автомобиле не было дифференциала, колёса вращались бы с одинаковой скоростью и поворачивать на таком авто было бы непросто. Одному колесу пришлось бы в таком случае скользить. При качестве современных дорог и шин, чтобы сделать это придётся приложить много усилий.

Дифференциал - это устройство, которое разделяет вращающий момент двигателя, позволяя каждому колесу вращаться с разной скоростью. Дифференциал применяется во всех современных машинах и грузовиках, а также во многих полноприводных машинах. В полноприводных автомобилях дифференциал ставится на переднюю и заднюю пару колёс, так как каждая пара является ведущей. Некоторое время полноприводные системы не имели дифференциала между передними и задними колёсами.

Открытый дифференциал.
Мы начнём с самого простого типа дифференциала название которого - открытый дифференциал.
Когда машина движется прямо по дороге, оба ведущих колеса вращаются с одинаковой скоростью. Ведущая шестерня вращает ведомое зубчатое колесо, на котором закреплены сателлиты. При движении автомобиля прямо ни один из сателлитов не вращается вокруг своей оси.
Заметим что количество зубцов на ведущем валу меньше чем на зубчатом колесе. Возможно, Вы слышали такой термин, как передаточное число заднего моста. Если передаточное число равно 4 к 10, это значит что число зубцов на ведущей шестерне относится к числу зубцов на зубчатом колесе как 4 к 10.
Когда автомобиль заворачивает колёса вращаются с разной скоростью.
На анимации выше можно видеть что при повороте сателлиты начинают вращаться, позволяя колёсам двигаться с разной скоростью.

Дифференциал и сцепление с дорогой.
Открытый дифференциал всегда создает одинаковый крутящий момент на каждое колесо.
Существует два фактора, которые определяют какой крутящий момент будет приложен к колесу:

• сцепление колеса с дорогой;
• мощность двигателя;

Когда дорога сухая и сцепление колеса с дорогой хорошее, вращающий момент, который будет приложен к колесу определяет двигатель и коробка передач. Если же сцепление колеса с дорогой плохое, предположим на льду, величина крутящего момента ограничится таким числом при котором колеса не будут проскальзывать. Таким образом, даже при достаточном вращающем моменте от двигателя, необходимо обеспечить хорошее сцепление с дорогой.

На тонком льду.
При управлении машиной на льду для того, чтобы колеса при старте не пробуксовывали, нужно трогаться со второй или даже с третьей передачи. При этом передается меньший вращающий момент на колеса.
А что будет если одно ведущее колесо будет на земле, а второе на льду? Возникает проблема на машине с открытым дифференциалом.
Надо помнить, открытый дифференциал передает одинаковый крутящий момент к обоим колесам. Максимальная величина крутящего момента будет ограничиваться моментом, который можно приложить к колесу, находящемуся на льду, а этот момент очень мал и колесо, имеющее хорошее сцепление с дорогой, получит такой же момент. В итоге автомобиль будет двигаться очень медленно.
Внедорожник.
Открытый дифференциал может создать много неудобств при движении по пересеченной местности. Если даже у машины все ведущие и установлен открытый дифференциал, она все равно может застрять. Если одно из передних или задних колес оторвется от земли и будет вращаться в воздухе и двигаться будет невозможно.
Решение этой проблемы - это дифференциал повышенного трения. Дифференциал повышенного трения используют различные механизмы для обеспечения нормальной разности скоростей. Когда одно из колес скользит этот крутящий момент передается другому колесу.
Вискомуфта.
Вискомуфта часто находит применение в полноприводных автомобилях. Она обычно применяется для соединения передней и задней пары колёс, при этом если передние начинают проскальзывать крутящий момент передаётся на задние колёса и наоборот.
Вискомуфта имеет два набора пластин внутри герметичного кожуха, который заполнен жидкостью, как показано выше. Каждый набор пластин соединён с валом. При нормальных условиях оба набора пластин в жидкости вращаются с одинаковой скоростью.
Когда одна пара колёс начинает вращаться быстрее, это свидетельствует о том, что колёса проскальзывают. Набор пластин соответствующих этому колесу начинает вращаться быстрее, но за счёт свойств жидкости скорости пластин задних и передних колёс выравниваются. Прикладывается более высокий крутящий момент на колёса, которые не скользят.

К примеру, когда у автомобиля происходит пробуксовка передних колёс, вискомуфта замыкается и передаёт момент на задний мост. Когда машина поворачивает разница скоростей меньше чем когда одно колесо проскальзывает. Чем быстрее вращаются диски относительно друг друга, тем больший крутящий момент передаёт вискомуфта. Муфта не мешает на поворотах, потому что величина крутящего момента во время поворота очень мала. Передача крутящего момента не будет происходить до тех пор, пока не начнётся скольжение. Простой опыт с яйцом поможет понять как работает вискомуфта. Если поставить яйцо на кухонный стол, скорлупа и желток будут неподвижны. Теперь если раскрутить яйцо, то желток будет стараться догнать скорлупу.
Чтобы доказать что желток вращается, остановим быстро яйцо, а затем снова отпустим - яйцо будет вращаться(если, конечно, оно не вкрутую). В этом эксперименте мы используем силу трения между скорлупой и желтком. В вискомуфте усилие прикладывается между жидкостью и набором пластин аналогично яйцу.
Самоблокирующийся дифференциал.
Самоблокирующийся дифференциал состоит из тех же частей что и открытый, плюс к нему добавляется электрический, пневматический или гидравлический механизм для блокировки двух выходных шестерёнок вместе. Этот механизм обычно активируется вручную с помощью переключателя, после активации оба колеса будут вращаться с одинаковой скоростью. Если одно колесо оторвётся от земли второе будет продолжать вращаться, как будто ничего не изменилось.
Дифференциал Torsen - чисто механическое устройство и не содержит электроники или вязких жидкостей. Как только одно колесо теряет сцепление с дорогой, система связывает колёса вместе. Например, если дифференциал Torsen разработан с отношением 5: 1, это позволяет в пять раз больше нагружать колесо, которое имеет хорошее сцепление. Torsen не уравнивает крутящий момент на колёсах, а направляет его на более ”загруженную” ось.

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.