Как устроен дифференциал

Что такое дифференциал, для чего он нужен, и как устроен

Дифференциал как автомобильный механизм скоро отметит двухвековой юбилей, однако его конструкция за эти долгие годы хоть и совершенствовалась, но сохранила ключевые особенности. Что же такое дифференциал, и какую роль он выполняет в автомобиле?

1. ЧТО ТАКОЕ ДИФФЕРЕНЦИАЛ?

Дифференциал в автомобиле – это механизм, который позволяет передавать мощность и, следовательно, вращение от коробки передач к колесам, разделяя поток этой мощности на два, для каждого из колес одной оси, с возможностью изменять соотношение передаваемой к ним мощности, и, следовательно, позволяя колесам вращаться с разной скоростью. Проще говоря, дифференциал разделяет 100% мощности, передаваемой коробкой передач, на два потока для каждого из колес на одной оси, и эти потоки могут перераспределяться в зависимости от условий движений от 50:50 до 100:0.

2. ДЛЯ ЧЕГО НУЖЕН ДИФФЕРЕНЦИАЛ?

Основное предназначение дифференциала – обеспечить возможность вращения колес на одной оси с разной скоростью с сохранением неразрывного потока крутящего момента. Для автомобиля это важно прежде всего в поворотах: ведь при движении по дуге колеса на внешней стороне поворота проходят больший путь, чем колеса на внутренней, а значит, должны вращаться с большей скоростью для сохранения стабильности машины.

Если же колеса на оси будут соединены жестко, то внутреннее колесо в повороте будет пробуксовывать. Для заднеприводного автомобиля это повышает риск заноса, а для переднеприводного радикально ухудшает управляемость и контроль автомобиля в повороте. Таким образом, обеспечение свободного и независимого вращения колес на одной оси с сохранением постоянства передачи на них крутящего момента от двигателя было одной из принципиальных задач с момента создания автомобиля – и это задача была успешно решена.

3. КАК УСТРОЕН ДИФФЕРЕНЦИАЛ?

Дифференциал являет собой частный случай планетарной передачи. Физически он обычно представляет собой набор из четырех шестерней, вращение к которым передается пятой – ведомой шестерней главной передачи, объединенной с корпусом дифференциала, выполняющим роль водила. Главная передача – это набор из двух шестерней: ведущая получает вращение от КПП и передает его ведомой. Ведомая же шестерня главной передачи передает вращение через корпус на шестерни-сателлиты, а они, в свою очередь, находятся в зацеплении с солнечными шестернями, жестко закрепленными на приводных полуосях колес.

Когда автомобиль движется по прямой, шестерни-сателлиты неподвижны, и скорость вращения шестерни главной передачи равна скоростям вращения солнечных шестерней: колеса вращаются с одинаковой скоростью. В повороте же шестерни-сателлиты начинают вращаться, обеспечивая разницу скоростей солнечных шестерней и, следовательно, колес на внешней и внутренней стороне поворота.

4. КАКОВЫ НЕДОСТАТКИ ДИФФЕРЕНЦИАЛА?

Главным недостатком дифференциала одновременно является его главное преимущество – возможность передавать до 100% мощности на одно из колес. Исходя из этого, в условиях, когда одно колесо имеет недостаточное сцепление с поверхностью, основная часть мощности будет передаваться именно на него. Таким образом, порой даже имея одно колесо на поверхности с достаточным сцеплением, автомобиль не может тронуться с места.

Для устранения этой проблемы были разработаны разнообразные конструкции – дифференциалы с повышенным внутренним сопротивлением (так называемые самоблоки) и дифференциалы с принудительной блокировкой, ручной или автоматизированной. В зависимости от конструкции и назначения они могут как изменять перераспределение потока мощности в пользу колеса с хорошим сцеплением с поверхностью, так и полностью замыкать дифференциал, заставляя колеса на оси вращаться с одинаковой скоростью. Разные типы таких дифференциалов мы рассмотрим в отдельных материалах.

Дифференциал: разделять и раздавать

Первые конструкции, принципом работы напоминающие дифференциал, появились в Китае еще до нашей эры. В 1720 году Джозеф Вильямсон использовал дифференциальный механизм в часах, чуть больше века спустя Ричард Робертс запатентовал дифференциал для дорожной техники. 1897 год: дифференциал впервые установлен на паровой автомобиль Ширера. Начало 80-х годов прошлого века: самоблокирующиеся дифференциалы приходят в автоспорт, а потом постепенно переселяются и на дорожные версии. На сегодняшних автомобилях распределение крутящего момента по колесам все чаще контролирует электроника.

ЧТО ТАКОЕ ДИФФЕРЕНЦИАЛ?

Устройство свободного дифференциала:

Устройство свободного дифференциала

1 — шестерни полуосей;

2 — ведомая шестерня главной передачи;

3 — ведущая шестерня главной передачи;

4 — сателлиты;

5 — корпус.

В автомобиле это устройство делит крутящий момент между правым и левым колесами (такой дифференциал называют межколесным) либо между передней и задней осями (межосевой дифференциал). Устройство полезное, например, в поворотах, когда внутреннее колесо вращается медленнее наружного. И одновременно вредное, когда автомобиль беспомощно буксует в грязи или на льду.

КАК РАБОТАЕТ ДИФФЕРЕНЦИАЛ

Крутящий момент через ведомую шестерню главной передачи передается на корпус и сателлиты, которые находятся в зацеплении с шестернями полуосей. Когда колеса крутятся с одинаковой скоростью, сателлиты неподвижны относительно своей оси (рис. а):

4_no_copyright

Но едва угловые скорости начинают различаться — одна из покрышек пробуксовывает или автомобиль проходит поворот, — сателлиты приходят в движение, компенсируя разницу в оборотах правого и левого колес (рис. б):

5_no_copyright

СПОРНЫЕ МОМЕНТЫ

Чтобы реализовать крутящий момент на колесе, должна быть противодействующая сила. Один из самых наглядных примеров — колодец. Противодействующую силу в этом случае создает ведро с водой, тянущее своим весом веревку вниз. Чтобы поднять ведро, нужно приложить достаточное усилие к ручке. Как раз это усилие, помноженное на плечо (в этом случае — длина ручки колодца), и называют крутящим моментом.

6_no_copyright

А что произойдет, если веревка оборвется? Ведро упадет, а вместе с ним уйдет и противодействующая сила. А коли нет противодействия, нет и крутящего момента. Барабан будет крутиться вхолостую, не совершая никакой полезной работы. Точно так же происходит, когда одно из колес попадает на скользкое покрытие. Противодействующая сила практически отсутствует, ведь колесу не за что зацепиться, следовательно, падает до нуля и крутящий момент. Так как свободный дифференциал делит тягу пополам, то же происходит и на соседнем колесе.

7_no_copyright

Поднять крутящий момент просто: нужно создать противодействующую силу, например придержать, создав блокировку, противоположное буксующее колесо.

ПРОВЕРЬТЕ СЕБЯ

Перед вами схема классического постоянного полного привода с тремя свободными симметричными дифференциалами (например, трансмиссия «Шевроле-Нива»):

8_no_copyright

В обычных условиях момент равномерно расходится на все четыре колеса — по 25% на каждое. Одно из колес попало на идеально гладкий лед. Коэффициент сцепления падает до нуля, крутящий момент тоже. А каково будет его значение на трех других колесах? Изменится ли что-то, если заблокировать межосевой дифференциал?

Свободный симметричный дифференциал делит крутящий момент между колесами поровну. Соответственно, если он не реализован на одном колесе, то нет его и на другом. Между осями установлен такой же симметричный дифференциал. Значит, если на задней оси крутящий момент равен нулю, то такое же значение и на передней. Таким образом, тяга на всех ведущих отсутствует — одно колесо беспомощно крутится, а остальные стоят неподвижно.

Заблокируем дифференциал — получилась жесткая связь между осями. Теперь на передних колесах крутящий момент по-прежнему ноль, а вся тяга идет назад — соответственно по 50% на каждое колесо.

КАКИЕ ЕЩЕ БЫВАЮТ ДИФФЕРЕНЦИАЛЫ?

9_no_copyright

Свободный симметричный дифференциал на современных автомобилях чаще всего используют как межколесный. Между осями крутящий момент обычно перераспределяют несимметричные дифференциалы (делят тягу не поровну) — повышенного трения и управляемые электроникой. Они сложнее и дороже, чем классический вариант, но в большинстве случаев при правильной настройке помогают эффективнее распределять крутящий момент. Дифференциалы устанавливают даже на радиоуправляемые модели. Устройство и принцип их работы — как у настоящих (на фото).

Виды, устройство и принцип работы дифференциала

Дифференциал – это механизм трансмиссии, распределяющий подводимый к нему крутящий момент между приводными валами и позволяющий колесам вращаться с разными угловыми скоростями. Особенно это заметно, когда машина проходит поворот. Дифференциал обеспечивает безопасное и комфортное вождение на сухой дороге с твердым покрытием. Однако если автомобиль покинет ее пределы и продолжит двигаться по пересеченной местности, а также в случае гололеда (и других тяжелых погодных условий) этот механизм может лишить автомобиль возможности передвигаться. О том, что такое дифференциал, как он устроен, в чем его вред для внедорожников и как с этим бороться – пойдет речь ниже.

Дифференциал как часть трансмиссии

Дифференциал в автомобиле — это механизм, распределяющий крутящий момент карданного вала трансмиссии между ведущими колесами передней или задней оси (в зависимости от типа привода), позволяя каждому из них вращаться без пробуксовки. В этом заключается основное назначение дифференциала.

При прямолинейном движении, когда колеса нагружены одинаково и имеют равную угловую скорость вращения – механизм работает в качестве передаточного звена. Если условия движения изменяются (поворот, пробуксовка) – нагрузка становится неравномерной. У полуосей появляется необходимость вращаться с разными скоростями, и, как следствие, становится необходимым распределить полученный крутящий момент между ними в определенном соотношении. Тогда узел выполняет вторую важную функцию: обеспечение безопасного маневрирования автомобиля.

Схема расположения дифференциала зависит от типа привода автомобиля:

1. Передний привод – картер коробки передач.
2. Задний привод – корпус ведущего моста.
3. Полный привод – корпусы переднего и заднего мостов (для передачи крутящего момента ведущим колесам) или раздаточная коробка (для передачи крутящего момента ведущим мостам).

Дифференциал на автомобилях появился не сразу. Конструкторы первых «самодвижущихся экипажей» были очень озадачены плохой маневренностью своих изобретений. Вращение колёс с одинаковой угловой скоростью во время прохождения поворота приводило к тому, что одно из них начинало буксовать или, наоборот, полностью теряло контакт с дорогой. Инженеры вспомнили, что на ранних прототипах первых автомобилей, снабжаемых паровыми двигателями, было устройство, позволявшее избежать потери управляемости.

Механизм распределения вращающего момента изобрёл француз Онесифор Пеккёр. В устройстве Пеккёра присутствовали валы и шестерни. Через них крутящий момент от мотора поступал к ведущим колёсам. Но даже после применения изобретения Пёккера проблема пробуксовки колёс на поворотах не решилась полностью. Выявились недостатки системы. Например, одно из колес в какой-то момент терял сцепление с дорогой. Сильнее всего это проявлялось на обледенелых участках.

Пробуксовка в таких условиях часто приводила к авариям, поэтому конструкторы надолго задумались над тем, как предотвратить занос машины. Решение было найдено Фердинандом Порше. Он стал изобретателем кулачкового механизма, который ограничивал проскальзывание колёс ведущего моста. Немецкое устройство дифференциала нашло применение в автомобилях Volkswagen.

Как устроен дифференциал

Узел работает как планетарный редуктор. Принципиальное устройство дифференциала: шестерни полуосей (5) и сателлитов (4) размещены в чашке (3). Чашка (корпус) жестко соединена с ведомой шестерней (2), которая принимает крутящий момент от ведущей шестерни главной передачи (1). Корпус передает вращение посредством сателлитов полуосям, вращающим ведущие колеса. Разные угловые скорости обеспечиваются благодаря работе сателлитов. Величина крутящего момента остается неизменной.

Применение дифференциалов в зависимости от их видов

Устройства используют для передачи крутящего момента ведущим колесам и ведущим мостам автомобиля .

Грузовики и легковые автомобили всех типов приводов имеют межколесный дифференциал, передающий вращение колесам. Межосевой дифференциал, распределяющий крутящий момент между мостами, применяют исключительно в полноприводных машинах.

По типу применяемой зубчатой передачи различают следующие виды механизмов:

1. конический;
2. цилиндрический;
3. червячный.

По количеству зубьев шестерен полуосей:

1. симметричный;
2. несимметричный.

Благодаря его свойству пропорционально распределять крутящий момент несимметричный дифференциал с цилиндрической передачей устанавливают между мостами полноприводных автомобилей.

Заднеприводные и переднеприводные автомобили оснащают коническим симметричным дифференциалом.

Червячная передача, являясь самой универсальной, используется во всех типах устройств со всеми приводами.

Схема работы дифференциала

Рассмотрим принцип, по которому работает симметричный межколесный конический дифференциал, распределяющий крутящий момент между колесами в трех различных условиях:

1. прямолинейное движение;
2. поворот;
3. пробуксовка.

При прямолинейном движении

Прямолинейное движение характеризуется равномерным распределением нагрузки между колесами автомобиля. Они имеют одинаковую угловую скорость. Сателлиты, размещенные в корпусе, не вращаются вокруг своих осей. Они передают крутящий момент от ведомой шестерни главной передачи к полуосям через неподвижное зубчатое зацепление.

При повороте

Когда транспортное средство поворачивает, силы сопротивления и нагрузки распределяются следующим образом:

• Внутреннее колесо, имеющее меньший радиус от центра поворота, испытывает сопротивление большей силы, чем наружное. Увеличенная нагрузка заставляет его снизить скорость вращения.
• Наружное колесо, двигаясь по большему радиусу (большей траектории), наоборот, должно увеличить угловую скорость, чтобы автомобиль мог повернуть плавно, без пробуксовки.

Таким образом, колеса должны иметь разные угловые скорости. Замедление вращения полуоси внутреннего колеса приводит сателлиты в движение. Они, в свою очередь, посредством конической зубчатой передачи увеличивают скорость вращения полуоси наружного колеса. Крутящий момент, получаемый от главной передачи, остается неизменным.

При пробуксовке

Колеса автомобиля, движущегося даже прямолинейно по скользкой дороге или бездорожью, могут испытывать различную нагрузку: одно из них пробуксовывает, теряя сцепление с дорогой; другое, становясь более нагруженным, замедляется. Повторяется схема поворота. Только теперь она приносит вред: буксующее колесо может получить 100% принятого дифференциалом крутящего момента, а нагруженное вообще перестанет вращаться. Движение автомобиля прекратится.

Эти недостатки работы узла решаются различными способами:

• ручной или автоматической блокировкой;
• внедрением системы курсовой устойчивости.

Блокировка дифференциала и система курсовой устойчивости

Чтобы крутящий момент полуосей снова стал одинаковым, нужно блокировать действие сателлитов или обеспечить его передачу от чашки на нагруженную полуось.

Это особенно актуально для машин повышенной проходимости, имеющих полный привод 4Х4. Не только потому что они предназначены для езды по местности с тяжелыми дорожными условиями. Стоит машине, оснащенной тремя дифференциалами (два межколесных, один межосевой), хотя бы в одной из четырех точек потерять сцепление – величина крутящего момента остальных колес устремится к нулевому значению, и машина откажется ехать.

Избежать неприятностей помогает блокировка, которая может быть либо частичной, либо полной (зависит от степени перераспределения усилий между полуосями), а также либо ручной, либо автоматической (зависит от степени контроля со стороны водителя).

Хорошо себя зарекомендовали самоблокирующиеся дифференциалы, распределяющие крутящий момент, учитывая его разность на полуосях или исходя из значений угловых скоростей.

Наиболее сложным совершенным способом устранить недостатки узла является электронная блокировка, реализуемая на базе системы курсовой устойчивости, датчики которой контролирует все необходимые параметры во время движения автомобиля. На основе полученных данных работа автомобиля корректируется автоматически.

Безопасность прежде всего

Дифференциал создан для обеспечения безопасного комфортного маневрирования на трассе. Описанные выше недостатки касаются езды в экстремальных условиях, а также по пересеченной местности. Поэтому если на автомобиле установлен привод ручной блокировки, использовать его нужно исключительно в соответствующих дорожных условиях. А шоссейные автомобили, которые сложно «уговорить» ехать медленнее 100 км/час, эксплуатировать без дифференциала вообще невозможно и даже опасно. Такой вот нехитрый, но бесконечно важный механизм в трансмиссии.