Его основное предназначение заключается в распределении, изменении и передачи крутящего момента, а при необходимости, для обеспечения вращения двух потребителей с различными угловыми скоростями.

Межколесный дифференциал – это дифференциал, предназначенный для привода ведущих колес, если же он установлен между ведущими мостами в полноприводном автомобиле – межосевой интервал.

Как правило, дифференциал автомобиля располагается в следующим местах:

• Привод ведущих мостов в полноприводном автомобиле – в раздаточной коробке
• Привод ведущих колес в полноприводном автомобиле – в картере заднего и переднего моста
• Привод ведущих колес в переднеприводном автомобиле — в коробке передач
• Привод ведущих колес в заднеприводном автомобиле – картер заднего моста

В основе дифференциала лежит планетарный редуктор. Используемый в редукторе вид зубчатой передачи условно делит дифференциал на три следующих вида:

• Червячный
• Цилиндрический
• Конический

Червячный – самый универсальный дифференциал и может быть установлен как между осями, так и между колесами. Цилиндрический тип, как правило, располагается в автомобилях между осями. Конический тип применяется в основном как межколесный.

Различают также несимметричный и симметричный дифференциалы автомобиля. Несимметричный тип устанавливается между двумя приводными осями и позволяет передавать крутящий момент в различных пропорциях. Симметричный тип, как правило, устанавливается на главных передачах и позволяет передает на два колеса равный по значению крутящий момент.

Устройство автомобильного дифференциала

Основными элементами дифференциала являются:

• Полуосевые шестерни
• Шестерни сателлитов
• Корпус

Схема дифференциала переднеприводного автомобиля:
1 — ведомая шестерня главной передачи; 2 — фрагмент ведущей шестерни главной передачи; 3 — ось сателлитов; 4 — сателлит; 5 — корпус дифференциала; 6 — правый фланцевый вал; 7 — сальник; 8 — конический роликовый подшипник; 9 — полуосевая шестерня; 10 — левый фланцевый вал; 11 — фрагмент картера коробки передач.

Шестерни сателлитов по своему принципу работы напоминают планетарный редуктор и служат для соединения между собой корпуса и полуосевой шестерни. Последние в свою очередь соединяются с помощью шлицов с ведущими колесами. В различных конструкциях используются четыре или два сателлита, в легковых автомобилей чаще используется второй вариант.

Чашка дифференциала или корпус – ее основное предназначение заключается в том, чтобы передавать через сателлиты крутящий момент от главной передачи к полуосевым шестерням. Внутри него располагаются оси для вращения сателлит.

Солнечные или полуосевые шестерни – предназначены для передачи крутящего момента с помощью полуосей на ведущие колеса. Левая и правая шестерни могут иметь как одинаковое, так и различное между собой число зубцов. В свою очередь шестерни с различным число зубов используются для образование несимметричного дифференциала, а с одинаковым количеством – для симметричного.

Принцип работы автомобильного дифференциала

Работает дифференциал следующим образом: вращая одно из ведущих колес автомобиля, второе начнет вращаться в противоположном направлении, но при этом должно выполняться условие неподвижности карданного вала. В данном случае стеллиты вращаются в свих осях, играя роль шестерни.

Если завести двигатель и включить сцепление и любую из передач, начнет свое вращение карданный вал, передающий свой крутящий момент через цилиндрические и конические шестерни коробке дифференциала.

Таким образом, во время движения автомобиля по кривой траектории одно колесо замедляет свой ход, второе наоборот увеличивает его. В результате устраняется пробуксовка и скольжение колес и каждое из них вращается с той скоростью, которая необходима для безопасного движения.

Во время движения автомобиля по прямой, ничего особенного не происходи и дифференциал передает крутящий момент на оба колеса в одинаковом соотношении. Шестерни полуосевые вращаются с одинаковой угловой скоростью, так как сателлиты в этом случае находятся в неподвижном состоянии.

При движении на скользких покрытиях дифференциал обладает одним существенным недостатком – он может вызвать боковой занос машины, так как на буксующем колесе низкая сила сцепления с покрытием и оно начинает вращаться в холостую.

Самые простейшие дифференциалы автомобиля обладают еще одним недостатком. При попадании грязи или прочих сторонних элементов между шлицами крутящий момент может передаваться в различном соотношении, даже 0 к 100. Таким образом, одно колесо останется в абсолютно статичном положение.

Современные модели практически лишены данного недостатка. Их устройство отличается ручной или автоматической более жесткой . Более того, во многих легковых современных машинах устанавливаются системы стабилизации и курсовой устойчивости, позволяющие оптимизировать в зависимости от траектории движения автомобиля распределение крутящего момента.

Как работает дифференциал — видео:

На этом всё, теперь вы знаете устройство дифференциала.

Являясь неразрывно связанными между собой, оба они уже несколько столетий активно используются при решении практически всех задач, которые возникали в процессе научно-технической деятельности человека.

Возникновение понятия о дифференциале

Впервые разъяснил, что такое дифференциал, один из создателей (наряду с Исааком Ньютоном) дифференциального исчисления знаменитый немецкий математик Готфрид Вильгельм Лейбниц. До этого математиками 17 ст. использовалось весьма нечеткое и расплывчатое представление о некоторой бесконечно малой «неделимой» части любой известной функции, представлявшей очень малую постоянную величину, но не равную нулю, меньше которой значения функции быть просто не могут. Отсюда был всего один шаг до введения представления о бесконечно малых приращениях аргументов функций и соответствующих им приращениях самих функций, выражаемых через производные последних. И этот шаг был сделан практически одновременно двумя вышеупомянутыми великими учеными.

Исходя из необходимости решения насущных практических задач механики, которые ставила перед наукой бурно развивающаяся промышленность и техника, Ньютон и Лейбниц создали общие способы нахождения скорости изменения функций (прежде всего применительно к механической скорости движения тела по известной траектории), что привело к введению таких понятий, как производная и дифференциал функции, а также нашли алгоритм решения обратной задачи, как по известной (переменной) скорости найти пройденный путь, что привело к появлению понятия интеграла.

В трудах Лейбница и Ньютона впервые появилось представление о том, что дифференциалы - это пропорциональные приращениям аргументов Δх основные части приращений функций Δу, которые могут быть с успехом применены для вычисления значений последних. Иначе говоря, ими было открыто, что приращение функции может быть в любой точке (внутри области ее определения) выражено через ее производную как Δу = y"(x) Δх + αΔх, где α Δх - остаточный член, стремящийся к нулю при Δх→0, гораздо быстрее, чем само Δх.

Согласно основоположникам матанализа, дифференциалы - это как раз и есть первые члены в выражениях приращений любых функций. Еще не обладая четко сформулированным понятием предела последовательностей, они интуитивно поняли, что величина дифференциала стремится к производной функции при Δх→0 - Δу/Δх→ y"(x).

В отличие от Ньютона, который был прежде всего физиком, и рассматривал математический аппарат как вспомогательный инструмент исследования физических задач, Лейбниц уделял большее внимание самому этому инструментарию, включая и систему наглядных и понятных обозначений математических величин. Именно он предложил общепринятые обозначения дифференциалов функции dy = y"(x)dx, аргумента dx и производной функции в виде их отношения y"(x) = dy/dx.

Современное определение

Что такое дифференциал с точки зрения современной математики? Он тесно связан с понятием приращения переменной величины. Если переменная y принимает сначала значение y = y 1 , а затем y = y 2 , то разность y 2 ─ y 1 называется приращением величины y.

Приращение может быть положительным. отрицательным и равным нулю. Слово «приращение» обозначается Δ, запись Δу (читается «дельта игрек») обозначает приращение величины y. так что Δу = y 2 ─ y 1 .

Если величину Δу произвольной функции y = f (x) возможно представить в виде Δу = A Δх + α, где у A нет зависимости от Δх, т. е. A = const при данном х, а слагаемое α при Δх→0 стремится к нему же еще быстрее, чем само Δх, тогда первый («главный») член, пропорциональный Δх, и является для y = f (x) дифференциалом, обозначаемымdy или df(x) (читается «дэ игрек», «дэ эф от икс»). Поэтому дифференциалы - это «главные» линейные относительно Δх составляющие приращений функций.

Механическое истолкование

Пусть s = f (t) - расстояние прямолинейно движущейся от начального положения (t - время пребывания в пути). Приращение Δs - это путь точки за интервал времени Δt, а дифференциал ds = f" (t) Δt - это путь, который точка прошла бы за то же время Δt, если бы она сохранила скорость f"(t), достигнутую к моменту t. При бесконечно малом Δt воображаемый путь ds отличается от истинного Δs на бесконечно малую величину, имеющую высший порядок относительно Δt. Если скорость в момент t не равна нулю, то ds дает приближенную величину малого смещения точки.

Геометрическая интерпретация

Пусть линия L является графиком y = f (x). Тогда Δ х= MQ, Δу = QM" (см. рисунок ниже). Касательная MN разбивает отрезок Δу на две части, QN и NM". Первая пропорциональна Δх и равна QN = MQ∙tg (угла QMN) = Δх f "(x), т. е QN есть дифференциал dy.

Вторая часть NM"дает разность Δу ─ dy, при Δх→0 длина NM" уменьшается еще быстрее, чем приращение аргумента, т.е у нее порядок малости выше, чем у Δх. В рассматриваемом случае, при f "(x) ≠ 0 (касательная не параллельна ОХ), отрезки QM"и QN эквивалентны; иными словами NM" уменьшается быстрее (порядок малости ее выше), чем полное приращение Δу = QM". Это видно на рисунке (с приближением M"к М отрезок NM"составляет все меньший процент отрезка QM").

Итак, графически дифференциал произвольной функции равен величине приращения ординаты ее касательной.

Производная и дифференциал

Коэффициент A в первом слагаемом выражения приращения функции равен величине ее производной f "(x). Таким образом, имеет место следующее соотношение - dy = f "(x)Δх, или же df (x) = f "(x)Δх.

Известно, что приращение независимого аргумента равно его дифференциалу Δх = dx. Соответственно, можно написать: f "(x) dx = dy.

Нахождение (иногда говорят, «решение») дифференциалов выполняется по тем же правилам, что и для производных. Перечень их приведен ниже.

Что более универсально: приращение аргумента или его дифференциал

Здесь необходимо сделать некоторые пояснения. Представление величиной f "(x)Δх дифференциала возможно при рассмотрении х в качестве аргумента. Но функция может быть сложной, в которой х может быть функцией некоторого аргумента t. Тогда представление дифференциала выражением f "(x)Δх, как правило, невозможно; кроме случая линейной зависимости х = at + b.

Что же касается формулы f "(x)dx= dy, то и в случае независимого аргумента х (тогда dx = Δх), и в случае параметрической зависимости х от t, она представляет дифференциал.

Например, выражение 2 x Δх представляет для y = x 2 ее дифференциал, когда х есть аргумент. Положим теперь х= t 2 и будем считать t аргументом. Тогда y = x 2 = t 4 .

Это выражение не пропорционально Δt и потому теперь 2xΔх не является дифференциалом. Его можно найти из уравнения y = x 2 = t 4 . Он оказывается равен dy=4t 3 Δt.

Если же взять выражение 2xdx, то оно представляет дифференциал y = x 2 при любом аргументе t. Действительно, при х= t 2 получим dx = 2tΔt.

Значит 2xdx = 2t 2 2tΔt = 4t 3 Δt, т. е. выражения дифференциалов, записанные через две разные переменные, совпали.

Замена приращений дифференциалами

Если f "(x) ≠ 0, то Δу и dy эквивалентны (при Δх→0); при f "(x) = 0 (что означает и dy = 0), они не эквивалентны.

Например, если y = x 2 , то Δу = (x + Δх) 2 ─ x 2 = 2xΔх + Δх 2 , а dy=2xΔх. Если х=3, то имеем Δу = 6Δх + Δх 2 и dy = 6Δх, которые эквивалентны вследствие Δх 2 →0, при х=0 величины Δу = Δх 2 и dy=0 не эквивалентны.

Этот факт, вместе с простой структурой дифференциала (т. е. линейности по отношению к Δх), часто используется в приближенных вычислениях, в предположении, что Δу ≈ dy для малых Δх. Найти дифференциал функции, как правило, легче, чем вычислить точное значение приращения.

Например, имеем металлический куб с ребром х=10,00 см. При нагревании ребро удлинилось на Δх = 0,001 см. Насколько увеличился объем V куба? Имеем V = х 2 , так что dV = 3x 2 Δх = 3∙10 2 ∙0/01 = 3 (см 3). Увеличение объема ΔV эквивалентно дифференциалу dV, так что ΔV = 3 см 3 . Полное вычисление дало бы ΔV =10,01 3 ─ 10 3 = 3,003001. Но в этом результате все цифры, кроме первой ненадежны; значит, все равно, нужно округлить его до 3 см 3 .

Очевидно, что такой подход является полезным, только если возможно оценить величину привносимой при этом ошибки.

Дифференциал функции: примеры

Попробуем найти дифференциал функции y = x 3 , не находя производной. Дадим аргументу приращение и определим Δу.

Δу = (Δх + x) 3 ─ x 3 = 3x 2 Δх + (3xΔх 2 + Δх 3).

Здесь коэффициент A= 3x 2 не зависит от Δх, так что первый член пропорционален Δх, другой же член 3xΔх 2 + Δх 3 при Δх→0 уменьшается быстрее, чем приращение аргумента. Стало быть, член 3x 2 Δх есть дифференциал y = x 3:

dy=3x 2 Δх=3x 2 dx или же d(x 3) = 3x 2 dx.

При этом d(x 3) / dx = 3x 2 .

Найдем теперь dy функции y = 1/x через ее производную. Тогда d(1/x) / dx = ─1/х 2 . Поэтому dy = ─ Δх/х 2 .

Дифференциалы основных алгебраических функций приведены ниже.

Приближенные вычисления с применением дифференциала

Вычислить функцию f (x), а также ее производную f "(x) при x=a часто нетрудно, а вот сделать то же самое в окрестности точки x=a бывает нелегко. Тогда на помощь приходит приближенное выражение

f(a + Δх) ≈ f "(a)Δх + f(a).

Оно дает приближенное значение функции при малых приращениях Δх через ее дифференциал f "(a)Δх.

Следовательно, данная формула дает приближенное выражение для функции в конечной точке некоторого участка длиной Δх в виде суммы ее значения в начальной точке этого участка (x=a) и дифференциала в той же начальной точке. Погрешность такого способа определения значения функции иллюстрирует рисунок ниже.

Однако известно и точное выражение значения функции для x=a+Δх, даваемое формулой конечных приращений (или, иначе, формулой Лагранжа)

f(a+ Δх) ≈ f "(ξ) Δх + f(a),

где точка x = a+ ξ находится на отрезке от x = a до x = a + Δх, хотя точное положение ее неизвестно. Точная формула позволяет оценивать погрешность приближенной формулы. Если же в формуле Лагранжа положить ξ = Δх /2, то хотя она и перестает быть точной, но дает, как правило, гораздо лучшее приближение, чем исходное выражение через дифференциал.

Оценка погрешности формул при помощи применения дифференциала

В принципе неточны, и привносят в данные измерений, соответствующие ошибки. Их характеризуют предельной или, короче, предельной погрешностью - положительным числом, заведомо превышающим эту ошибку по абсолютной величине (или в крайнем случае равным ей). Предельной называют частное от ее деления на абсолютное значение измеренной величины.

Пусть точная формула y= f (x) использована для вычисляения функции y, но значение x есть результат измерения и поэтому привносит в y ошибку. Тогда, чтобы найти предельную абсолютную погрешность │‌‌Δу│функции y, используют формулу

│‌‌Δу│≈│‌‌dy│=│ f "(x)││Δх│,

где │Δх│является предельной погрешностью аргумента. Величину │‌‌Δу│ следует округлить в сторону увеличения, т.к. неточной является сама замена вычисления приращения на вычисление дифференциала.

Дифференциал предназначен для передачи, изменения и распределения крутящего момента между двумя потребителями и обеспечения, при необходимости, их вращения с разными угловыми скоростями.

Дифференциал является одним из основных конструктивных элементов трансмиссии . Расположение дифференциала в трансмиссии автомобиля:

Дифференциалы, используемые для привода ведущих колес, называются межколесными. Межосевой дифференциал устанавливается между ведущими мостами полноприводного автомобиля.

Конструктивно дифференциал построен на основе планетарного редуктора. В зависимости от вида зубчатой передач, используемой в редукторе, различают следующие виды дифференциалов: конический, цилиндрический и червячный.

Конический дифференциал применяется в основном в качестве межколесного дифференциала. Цилиндрический дифференциал устанавливается чаще между осями полноприводных автомобилей. Червячный дифференциал, ввиду своей универсальности, может устанавливаться как между колесами, так и между осями.

Устройство дифференциала рассмотрено на примере самого распространенного конического дифференциала. Составные части дифференциала являются характерными и для других видов дифференциалов. Конический дифференциал представляет собой планетарный редуктор и включает полуосевые шестерни с сателлитами, помещенные в корпус.

Корпус (другое наименование – чашка дифференциала) воспринимает крутящий момент от главной передачи и передает его через сателлиты на полуосевые шестерни. На корпусе жестко закреплена ведомая шестерня главной передачи. Внутри корпуса установлены оси, на которых вращаются сателлиты.

Сателлиты, играющие роль планетарной шестерни, обеспечивают соединение корпуса и полуосевых шестерен. В зависимости от величины передаваемого крутящего момента в конструкции дифференциала используется два или четыре сателлита. В легковых автомобилях применяется, как правило, два сателлита.

Полуосевые шестерни (солнечные шестерни) передают крутящий момент на ведущие колеса через полуоси, с которыми имеют шлицевое соединение. Правая и левая полуосевые шестерни могут иметь равное или различное число зубьев. Шестерни с равным числом зубьев образуют симметричный дифференциал, тогда как неравное количество зубьев характерно для несимметричного дифференциала.

Симметричный дифференциал распределяет крутящий момент по осям в равных соотношениях, независимо от величины угловых скоростей ведущих колес. Благодаря этим свойствам симметричный дифференциал используется в качестве межколесного дифференциала.

Несимметричный дифференциал делит крутящий момент в определенном соотношении, поэтому устанавливается между ведущими осями автомобиля.

Работа дифференциала

В работе симметричного межколесного дифференциала можно выделить три характерных режима:

1. прямолинейное движение;
2. движение в повороте;
3. движение по скользкой дороге.

При прямолинейном движении колеса встречают равное сопротивление дороги. Крутящий момент от главной передачи передается на корпус дифференциала, вместе с которым перемещаются сателлиты. Сателлиты, обегая полуосевые шестерни, передают крутящий момент на ведущие колеса в равном соотношении. Так как сателлиты на осях не вращаются, полуосевые шестерни движутся с равной угловой скоростью. При этом частота вращения каждой из шестерен равна частоте вращения ведомой шестерни главной передачи.

При движении в повороте внутреннее ведущее колесо (расположенное ближе к центру поворота) встречает большее сопротивление, чем наружное колесо. Внутренняя полуосевая шестерня замедляется и заставляет сателлиты вращаться вокруг своей оси, которые в свою очередь увеличивают частоту вращения наружной полуосевой шестерни. Движение ведущих колес с разными угловыми скоростями позволяет проходить поворот без пробуксовки. При этом, в сумме частоты вращения внутренней и наружной полуосевых шестерен всегда равна удвоенной частоте вращения ведомой шестерни главной передачи. Крутящий момент, независимо от разных угловых скоростей, распределяется на ведущие колеса в равном соотношении.

При движении по скользкой дороге одно из колес встречает большее сопротивление, тогда как другое проскальзывает - буксует. Дифференциал, в силу своей конструкции, заставляет вращаться буксующее колесо с увеличивающейся скоростью. Другое колесо при этом останавливается. Сила тяги на буксующем колесе, по причине низкой силы сцепления, мала, поэтому и крутящий момент на этом колесе тоже мал. А так как дифференциал у нас симметричный, то на другом колесе крутящий момент тоже будет небольшим. Тупиковая ситуация – автомобиль не может сдвинуться с места.

Для продолжения движения необходимо увеличить крутящий момент на свободном колесе. Это осуществляется с помощью

В современном автомобилестроении существует множество технических решений реализации дифференциала. В зависимости от привода автомобиля используют различные типы узлов: для заднеприводных, переднеприводных и дифференциальные устройства для внедорожников. Кроме того этот узел трансмиссии классифицируют по внутреннему устройству (конический, цилиндрический, червячный) и способу блокировки.

Предназначение дифференциала в автомобиле

Основная задача дифференциала — обеспечивать колёсам разную скорость вращения. Такой способ вращательного движения необходим для правильного вхождения машины в повороты, при пробуксовке колес и в другие моменты. Когда машина поворачивает, то разные колёса описывают разные траектории. Если ведущие колеса будут двигаться с одинаковой скоростью, то выполнить поворот на такой машине будет очень сложно. Распределение моментов между приводимыми в движение колёсами происходит при помощи дифференциала.

Во время пробуксовки одного из колёс, обычный планетарный механизм начнёт работать в сторону увеличения крутящего момента. Колесо начинает буксовать ещё сильнее. Колесо, находящееся на твёрдой поверхности, перестанет крутиться. Для решения таких проблем дифференциальные устройства обеспечиваются блокировочными механизмами различных типов: ручными или автоматическими. Блокировка дифференциала значительно повышает проходимость полноприводного автомобиля. Пока хотя бы одно колесо цепляет дорогу, машина двигается.

Классификация дифференциалов

Различают два основных вида дифференциальных механизмов: межколёсный и межосевой. Межколёсный предназначается для различных автомобилей с приводом на два колеса. Межосевой делит крутящий момент на все четыре. В зависимости от модели дифференциала, используются различные конструктивные решения механизма. В переднеприводных машинах этот узел обычно помещают в картере коробки передач. У заднепрводных раздаточные шестерни размещают в корпусе заднего моста.

Полноприводные внедорожники используют для размещения дифференциального механизма чаще всего отдельную раздаточную коробку («Land Cruiser», «Нива»). Некоторые производители используют конструкцию с двумя раздельными дифференциалами (Jeep «Cherokee», UAZ «Hunter»), размещёнными в переднем и заднем мостах.

Устройство и схема работы дифференциала на примере свободного дифференциала

Самым простым устройством на базе планетарного редуктора является свободный дифференциал. Рассмотрим вкратце принцип его действия. Вращение от двигателя передаётся на механизм шестернёй главной передачи. Зубья жёстко передают движение на ведомую шестерню большого размера, находящуюся в корпусе дифференциала.

На ведомой шестерёнке закреплены два конических сателлита с двумя степенями свободы: они вращаются вместе с ведомой шестернёй, и одновременно могут вращаться вдоль своей оси. Когда автомобиль едет прямо, сателлит бежит по большому кругу и передаёт одинаковое вращательное движение на обе полуоси. Как только машина поворачивает, сателлиты совершают вращательные движения вокруг своей оси, и скорость вращения полуосей изменяется. В результате одно из колёс движется медленнее, а другое, описывающее больший поворотный радиус, быстрее.

Зачем необходима блокировка дифференциала?

У свободного дифференциала есть один большой недостаток. В момент пробуксовки одного из колёс, сателлит начинает прокручиваться и передавать весь импульс движения на него. Буксующее колесо крутится с большой скоростью, в то время как стоящее на твёрдой почве второе колесо, бездействует. Особенно опасно, когда такие процессы происходят на большой скорости.

Если на дороге попадается участок с неравномерной обледенелой поверхностью, то машина со свободным дифференциалом может уйти в неуправляемый занос. Для решения этой проблемы используется блокировка дифференциала.

Типы дифференциалов по способу блокировки

Естественным решением предотвращения пробуксовки является временная приостановка одного из компонентов механизма. Существует несколько решений этой задачи: можно временно блокировать одно из колёс, полуось, сам дифференциальный узел или даже двигатель. По способу реализации разделяют блокировки следующих типов: ручная, самоблокирующаяся, электронная.

Дифференциалы с ручной блокировкой

Самым простым вариантом блокирования дифференциального механизма является его ручное отключение. Обычно такая функция реализуется с помощью специального рычага или кнопки в салоне внедорожника. Движением рычага блокируется возможность вращения сателлитов вдоль своей оси, и планетарка становится обычной муфтой. Выполнять подобную операцию следует только во время полной остановки автомобиля с выжатым сцеплением.

Использовать блокировку следует при движении на малых скоростях по сложнопроходимым дорогам. При отключенном дифференциале, автомобиль становится трудноуправляемым и стремится ехать по прямой.

Поэтому ручное управление механизмом раздачи мощности по колёсам требует определённых навыков водительского мастерства. Ручной блокировкой дифференциала оборудуются внедорожники с жёсткой рамой: «Land Cruiser», «Hilux», «Нива» и другие.

Для увеличения проходимости автомобиля и упрощения управлением в трудных условиях были созданы несколько моделей самоблокирующихся дифференциалов. Принцип работы этих узлов основан на возникновении блокировки работы узла при определённых обстоятельствах.

Дифференциалы Speed sensitive

Рассмотрим подробнее дифференциалы Speed sensitive, которые срабатывают, если полуоси начинают вращаться на различных угловых скоростях.

Примером автомобиля, где установлен такой тип дифференциала, может служить Toyota «Rav4» с вискомуфтой. Одна часть этого узла закреплена на чашке дифференциала, другая часть на полуоси. В режиме обычного движения или небольшом расхождении в повороте, рабочие поверхности муфты двигаются независимо и не мешают вращению полуосей. Вращение одной из осей, с заметно большей скоростью, приводит к тому, что вискомуфта срабатывает и начинает тормозить движение.

При падении скорости, сила трения уменьшается, и части узла вновь становятся независимыми. Такой дифференциал вполне подходит для автовладельцев, которые не стремятся покорить все вершины бездорожья. В городском режиме и на грунтовых дорогах машины с такими дифференциалами прекрасно себя зарекомендовали. Но у вискомуфты есть проблемные места — в сложной ситуации она не тянет нагрузками, начинает греться, запаздывает со включением и может прийти в нерабочее состояние.

На спецтехнике устанавливают другой тип самоблокирующихся дифференциальных механизмов — кулачковые пары. Примером реализации служит «ГАЗ-66». Данная конструкция узла позволяет в разы повысить проходимость машины, но чревата опасными ситуациями, когда дифференциал самопроизвольно заклинивает. Схема действия проста, как всё гениальное. Вместо планетарки в механизме применяются зубчатые пары. Они свободно поворачиваются при малейших расхождениях в скоростях колёс, а при значительном расхождении заклинивают.

Интересный вариант конструкторского решения самоблокирующегося дифференциала реализован в Kia «Sportage». Основанный на похожих методах, что и вискомуфта, этот тип использует пластины для торможения нежелательных вращений. Принципиальным отличием или существенным усовершенствованием является использование гидравлической системы для сближения фрикционных пластин.

При возникновении большой разницы в скоростях полуосей срабатывает насос, который нагнетает давление масла в системе фрикционов и заставляет пластины сближаться. Таким образом, скорость вращения пробуксовывающего колеса начинает снижаться, и происходит перераспределение крутящего момента.

Дифференциалы Torque sensitive

Более современным и эффективным можно назвать дифферинциалы Torque sensitive, приходящие в рабочее состояние при снижении скорости вращения на одной из полуосей. Такой узел осуществляет контроль за показателями скоростей вращения и снижает их в автоматическом режиме.

Конструктивно такие дифференциальные устройства представляют собой обычный свободный дифференциал с комплектом подпружиненных фрикционных гасителей скорости, размещённых между полуосями и чашкой дифференциала. Принцип действия основан на свойствах гипоидных передач, которые могут самопроизвольно разблокироваться. Различают три основных конструктивных реализации этого типа дифференциалов.

Первый тип использовался на внедорожнике Toyota «Celica GT-4» и назывался Т-1. Каждая полуось в этом узле имеет свои сателлиты, связанные между собой. Таким образом, как только возникает разница в крутящих моментах сателлитов, червяк синхронизирует их, и колёса будут крутиться с одной и той же скоростью. Диапазон их разницы определяется углом наклона зубчиков межсателлитового вала.

Такой механизм приводит к тому, что колёса либо движутся с одной скоростью (при езде по прямой), либо благодаря синхронизированным сателлитам делают обороты с различными скоростями (при повороте). Никаких пробуксовок не возникает. Модель узла трансмиссии с такими характеристиками стала популярна не только среди внедорожников, её установили на спортивную машину Mazda «RX-7» (1991 г.).

В продолжение серии была выпущена модель T-2, более чувствительная к разнице в скоростях. Как и аналогичный механизм Rod Quaife, эта конструкция отличается наличием более сложной передачи между сателлитами вместо червяка. Эта модель приобрела ещё большую популярность и применима для большого количества машин: BMW «Z3», Audi «A4», «A6», «A8», родстеры Honda «S2000», Volkswagen «Passat» (B6), Mazda «MX-5», внедорожники «Range Rover», Hummer.

Третья разновидность дифференциалов модели Torque sensitive называется Т-3 и используется чаще всего в качестве межосевых узлов. Это более совершенная конструкция позволяет автоматически распределять нагрузку между задней и передней осями в определенном промежутке. Обычно это происходит в диапазоне 65 на 35. Если на пути Lexus «GX 470», оснащенного таким дифференциалом, выступает препятствие, то сила тяги у него будет подаваться на те колёса, которые ещё могут зацепить дорожное покрытие.

Дифференциалы с электронным управлением

Механический способ блокировки дифференциала не стоит рассматривать, как единственную разработку, направленную на улучшение проходимости и повышение контроля за автомобилем. Примером может служить система управления трансмиссией с помощью электроники — Traction Control (TRAC) — схема контролирования за тягой и сцеплением колёс. В основе TRAC лежит простой принцип: отслеживание и коррекция частоты оборотов колёс при помощи специальных датчиков.

Как только колесо начинает буксовать, в это время включается тормоз и крутящий момент уходит на другую полуось. На первый взгляд машина будет вести себя, как будто у неё блокировали дифференциал. На самом деле эта система даже эффективнее механической блокировки, проще в исполнении и надежнее. Кроме того, TRAC не создает помех в работе механизмов любых дифференциалов, а является их удачным дополнением. Именно поэтому современные внедорожники, такие как «Hilux», Lexus, «Prado» оборудованы электронным управлением Traction Control.

Наиболее популярным и современным решением в области конструирования дифференциального узла стало изобретение активного дифференциала. Идея этого механизма в том, чтобы не тормозить полуоси и колёса, а напротив, разгонять их до большей скорости. С помощью электроники и фрикционных сцеплений колесо, бегущее по внешнему кругу, получает в разы больший момент, чем внутреннее.

Благодаря этому техническому решению прохождение крутых поворотов отличается легкостью и устойчивостью. Это обстоятельство сразу же взяли на вооружение производители спортивных автомобилей. Но до выхода в широкое производство этому типу дифференциалов ещё далеко.

Заключение

Дифференциал за годы своего существования прошёл большой путь эволюционного развития и это не удивительно. Конструкторы автомобилей сделали всё возможное, чтобы этот узел стал надёжным и обеспечивал комфортное и беспрепятственное движение автомобиля. Если задаваться вопросом, с каким дифференциалом выбрать машину, то это наиболее улучшенная модель из разряда Torque sensitive, с дополнением в виде электронного управления Traction Control.

Дифференциал - механизм распределения крутящего момента входного вала между двумя выходными полуосями ведущих колес или, на автомобилях повышенной проходимости,для распределения крутящего момента между передней и задней ведущими осями.
Это часть трансмиссии, которая на автомобилях классической и переднеприводной компоновки обычно выполняется в виде единого блока с главной передачей ,а на внедорожниках встраивается в раздаточную коробку Свободный дифференциал всегда делит поступающий на него крутящий момент поровну - не зависимо от того, с равными или с разными скоростями вращаются ведущие колеса (или ведущие оси).

Назначение дифференциала

При движении автомобиля по криволинейным участкам дороги - например, в поворотах - колеса ведущей оси катятся по окружностям разной длины. Внешнее (по отношению к центру поворота автомобиля) колесо проходит больший путь, чем внутреннее. Эта разница тем больше, чем круче поворот. Аналогичная проблема возникает и в движении по прямой, если используются ведущие колеса разной размерности и т.п. Если в этих ситуациях колеса соединить жесткой осью,окажется, что одно колесо вращается быстрей, чем нужно для прохождения заданной траектории,а другое медленней. Значит, оба колеса будут пробуксовывать, испытывать повышенные нагрузки, сильней нагреваться и изнашиваться. Увеличится и расход топлива. Наконец, это нарушает курсовую устойчивость автомобиля и ведет к его заносу или сносу - особенно, на скользких дорогах.
Для компенсации разницы проходимого ведущими колесами пути используется особый механизм - дифференциал. Простейший, свободный дифференциал уравнивает крутящие моменты (или тяговые силы) обоих ведущих колес, и если скорости их вращения (или линейного движения) разные, то и мощности на них пропорциональны этой разнице. Колесо, вращающееся быстрей, тратит на это несколько большую мощность, чем то, которое вращается медленней.
Таким образом дифференциал предназначен для обеспечения вращения ведущих колес с разными угловыми скоростями при постоянно передаче крутящего момента на оба колеса ведущей оси. Эта же логика присутствует и в работе межосевого дифференциала.

Устройство и принцип действия

Дифференциал классической конструкции устроен просто. Например, на заднеприводном автомобиле вращение от ведомого вала коробки передач передается через карданный вал на ведущую коническую шестерню главной передачи, которая находится в постоянном зацеплении с ведомой шестерней главной передачи. Ведомая шестерня является одновременно корпусом дифференциала, в котором перпендикулярно оси ведомой шестерни закреплена ось сателлитов - малых конических шестерен. Последние вращаются вместе с корпусом дифференциала относительно оси ведомой шестерней главной передачи. Сателлиты находятся в постоянном зацеплении с коническими шестернями левой и правой полуосей ведущих колес.
При прямолинейном движении автомобиля сателлиты относительно собственной оси не вращаются. Но каждый, подобно равноплечему рычагу, делит крутящий момент ведомой шестерни главной передачи поровну между шестернями полуосей.
Когда автомобиль движется по криволинейной траектории, внутреннее по отношению к центру описываемой автомобилем окружности колесо вращается медленней,наружное быстрей - при этом сателлиты вращаются вокруг своей оси, обегая шестерни полуосей. Но принцип деления момента поровну между колесами - сохраняется. Мощность же, подаваемая на колеса, перераспределяется,- ведь она равна произведению крутящего момента на угловую скорость колеса. Если радиус поворота настолько мал, что внутреннее колесо останавливается, тогда внешнее вращается с вдвое большей скоростью, чем при движении автомобиля по прямолинейной траектории. Итак, дифференциал не меняет крутящий момент, но перераспределяет между колесами мощность. Последняя всегда больше на том колесе, которое вращается быстрее.

Применение дифференциалов

В автомобилях с одной ведущей осью устанавливается один дифференциал, объединенный с главной передачей. В автомобилях с двумя и более ведущими осями дифференциалы устанавливаются в каждую ведущую ось (например, в трехосном грузовике или автобусе с двумя задними ведущими осями дифференциалы установлены в среднюю и заднюю оси). В автомобилях с подключаемым полным приводом дифференциалы устанавливаются в каждую ведущую ось (у двухосного полноприводного джипа с подключаемым передним ведущим мостом два дифференциала - по одному в каждой ведущей оси), но эксплуатация этих машин с постоянно подключенной передней осью не рекомендуется по причине повышенного износа главных передач и колес из-за неравномерно распределяемой мощности между осями. В свою очередь в автомобилях повышенной проходимости с постоянно подключенными ведущими осями применяют три дифференциала - по одному в каждой ведущей оси и один межосевой, установленный в раздаточной коробке. Межосевой дифференциал распределяет мощность между ведущими осями в зависимости от длины проходимого колесами оси пути. К примеру, передние колеса могут преодолевать возвышение, задние еще двигаться по прямой - передние колеса описывают более длинный путь, чем задние, соответственно, межосевой дифференциал обеспечивает передачу большей части мощности двигателя на переднюю ось, чем на заднюю. На многоосных транспортных средствах с несколькими ведущими осями применяют межтележечный дифференциал.
Дифференциал не применяется на транспортных средствах с одним ведущим колесом - в частности, на мотоциклах и трициклах с двумя передними управляемыми колесами. Если трицикл построен по схеме с одним передним управляемым колесом и двумя ведущими задними, то на нем применяют автомобильный ведущий мост с дифференциалом. Обычно подобные трициклы строят по индивидуальным заказам на базе популярных тяжелых моделей (пример - кастомные трициклы на базе «Харлей-Дэвидсон»).
На гоночных автомобилях на основе серийных моделей (например, на раллийных или для кольцевых гонок) дифференциал перед гонками блокируют, поскольку повороты такие машины проходят на большой скорости и с заносом. В данном случае склонность автомобиля к заносу из-за отсутствия дифференциала считается преимуществом.

Недостаток дифференциала

Главным недостатком дифференциала классической конструкции является проблема пробуксовки колеса, потерявшего контакт с поверхностью дорожного полотна. Когда одно из ведущих колес вращается в вывешенном состоянии его скорость вдвое больше, чем была бы при этих же оборотах ведомой шестерни дифференциала при нормальном движении по прямой. Зато второе колесо вообще не вращается. Причина проста. Момент сопротивления вращению вывешенного колеса ничтожен, соответственно мал и подводимый к нему крутящий момент. Значит, столь же мал крутящий момент и на противоположном колесе - оно стоит. Если же одно из колес буксует - с повышенными оборотами, но с существенным сопротивлением (например, в грязи, песке и т.п.), то такой же крутящий момент поступает и на другое, не буксующее, колесо. В результате автомобиль может двигаться с небольшой скоростью. При этом на буксующее колесо подается более высокая мощность - она тратится на нагрев шины, дороги и т.д. Эффект пробуксовки снижает проходимость автомобиля со свободным дифференциалом. Для решения этой проблемы автомобили оснащают механизмами блокировки дифференциала - ручной или автоматической - различной конструкции.

Механизмы блокировки дифференциала

• Ручная блокировка дифференциала

Самым простым способом блокировки дифференциала является применение механизма с ручным управлением. Этот вид блокировки применяется на автомобилях повышенной проходимости. Блокировка производится блокировочными муфтами, которые фиксируют сателлиты. Дифференциал отключается. К достоинствам данного типа блокировки можно отнести простоту и надежность конструкции, к недостаткам - необходимость точно оценивать дорожную обстановку и отключать блокировку дифференциала при движении по качественным дорогам во избежание поломок главной передачи и ведущего моста в целом.

• Блокировка дифференциала с электронным управлением

На современных полноприводных легковых автомобилях повышенной проходимости с развитым компьютерным управлением работой агрегатов и механизмов устанавливают антипробуксовочную систему с электронным управлением. Как только бортовой компьютер автомобиля (или электронный блок антипробуксовочной системы) получает от датчика вращения сигнал о том, что одно колесо оси вращается значительно быстрей второго, свободное колесо притормаживается рабочим тормозом - благодаря свободному дифференциалу мощность передается на колесо, которое не утратило контакта с дорожным покрытием. Эта система требует наличия системы раздельного привода тормозов всех четырех колес и точной отладки датчиков.
Антипробуксовочные системы позволяют достаточно тонко регулировать распределение мощности в зависимости от состояния дорожного покрытия и избежать потерь мощности двигателя при срабатывании дифференциала. С другой стороны, управляющая система из датчиков и исполнительных приводов тормозов (на соленоидах) обладает инерционностью, поэтому работает с некоторым запозданием, что приходится учитывать водителю.
На гоночных автомобилях иногда применяются фрикционные дифференциалы с тормозными ленточными механизмами, управляемыми электроникой.

• Автоматическая блокировка с применением фрикционной муфты

На спортивные автомобили, выпускаемые малыми сериями или по заказу, иногда устанавливают фрикционные самоблокирующиеся дифференциалы. На серийных машинах эти дифференциалы редкость, поскольку они требуют особого обслуживания и подвержены интенсивному износу.
Фрикционные муфты устанавливаются между полуосевыми шестернями и корпусом дифференциала. При прямолинейном движении автомобиля полуоси вращаются с одинаковой угловой скоростью - сила трения во фрикционных муфтах равна нулю, дифференциал распределяет мощность между колесами ведущей оси поровну. Как только одна из полуосей начинает вращаться быстрей, диски фрикционной муфты сближаются, за счет возникающих сил трения муфта притормаживает вращение свободной полуоси. Этот тип дифференциала отличается невысокой эффективностью при большой разнице в угловых скоростях ведущих колес (например, на поворотах с малым радиусом закругления).