Дифференциал — это механизм в коробке передач, который распределяет подводимый к нему крутящий момент между приводными валами и позволяет колесам вращаться с разными угловыми скоростями. Это особенно заметно, когда автомобиль проходит повороты. Дифференциал обеспечивает безопасное и комфортное движение по сухим дорогам с твердым покрытием. Однако если автомобиль выходит за пределы своих возможностей и продолжает движение по пересеченной местности и в ледяных (и других суровых погодных) условиях, дифференциал может лишить автомобиль управляемости. Что такое дифференциал, как он устроен, его вред для внедорожников и как с ним бороться — рассмотрим ниже.
Дифференциал как часть трансмиссии
Дифференциал в автомобиле — это механизм, который распределяет крутящий момент приводного вала трансмиссии между ведущими колесами передней или задней оси (в зависимости от типа привода), позволяя каждому колесу вращаться без проскальзывания. Это основное назначение дифференциала.
Ведущий мост с дифференциалом в поперечном сечении
При прямолинейном движении, когда колеса одинаково нагружены и имеют одинаковую угловую скорость вращения — механизм действует как передаточное звено. При изменении условий движения (поворот, пробуксовка) — нагрузка становится неравномерной. В этом случае полуоси должны вращаться с разными скоростями, и, как следствие, возникает необходимость распределять возникающий крутящий момент на полуоси в определенном соотношении. Затем устройство выполняет вторую важную функцию: обеспечивает безопасное маневрирование автомобиля.
Расположение дифференциала зависит от типа привода автомобиля:
- Передний привод — корпус коробки передач.
- Задний привод — корпус ведущего моста.
- Полный привод — корпуса переднего и заднего мостов (для передачи крутящего момента на ведущие колеса) или коробка передач (для передачи крутящего момента на ведущие мосты).
Дифференциал появился на автомобилях не сразу. Разработчики первых «самодвижущихся экипажей» были удивлены плохой маневренностью своих изобретений. Вращение колес с одинаковой угловой скоростью при выполнении поворота приводило к пробуксовке одного из колес или, наоборот, к полной потере контакта с дорогой. Инженеры вспомнили, что ранние прототипы первых автомобилей с паровым двигателем имели устройство для предотвращения потери управления.
Механизм распределения крутящего момента был изобретен французом Онесифором Пеккерром. Устройство Пеккера включало в себя валы и шестерни. Они использовались для распределения крутящего момента от двигателя к ведущим колесам. Но даже после использования изобретения Пеккерра проблема пробуксовки колес на поворотах не была полностью решена. Недостатки системы стали очевидны. Например, одно из колес в какой-то момент потеряет сцепление с дорогой. Это было наиболее очевидно в условиях гололеда.
Скольжение в таких условиях часто приводило к авариям, поэтому конструкторы долго думали над тем, как предотвратить скольжение автомобиля. Фердинанд Порше придумал решение. Он изобрел кулачковый механизм, который ограничивал проскальзывание колес ведущей оси. Немецкий дифференциал нашел свое применение в автомобилях Volkswagen.
Как устроен дифференциал
Дифференциальная диаграмма
Устройство работает как планетарный редуктор. Основная конструкция дифференциала состоит из полуосевых шестерен (5) и сателлитов (4), которые размещены в стакане (3). Чашка (корпус) жестко соединена с шестерней (2), которая получает крутящий момент от ведущей шестерни главной передачи (1). Корпус передает вращение через сателлиты на полуоси, которые вращают ведущие колеса. Различные угловые скорости обеспечиваются работой спутников. Значение крутящего момента остается постоянным.
Применение дифференциалов в зависимости от их видов
Эти устройства используются для передачи крутящего момента на ведущие колеса и ведущие мосты автомобиля.
Грузовые и легковые автомобили всех типов привода имеют межосевой дифференциал, передающий крутящий момент на колеса. Дифференциал, распределяющий крутящий момент между осями, используется только на полноприводных автомобилях.
Различие проводится в зависимости от типа используемого дифференциала:
- конический;
- цилиндрический;
- червь.
В зависимости от числа зубьев полуосевых шестерен:
- симметричный;
- асимметричный.
Благодаря свойству пропорционального распределения крутящего момента несимметричный дифференциал с цилиндрической шестерней устанавливается между осями полноприводных автомобилей.
Заднеприводные и переднеприводные автомобили оснащаются коническим симметричным дифференциалом.
Шнек, как наиболее универсальный, используется на всех типах оборудования с любыми приводами.
Схема работы дифференциала
Давайте рассмотрим принцип работы симметричного межосевого конического дифференциала, который распределяет крутящий момент между колесами при трех различных условиях:
- прямо
- повороты;
- проскальзывание.
При прямолинейном движении
Движение по прямой характеризуется равномерным распределением нагрузки между колесами автомобиля. Они имеют одинаковую угловую скорость. Спутники в корпусе не вращаются вокруг своих осей. Они передают крутящий момент от шестерни звездочки к валу оси через неподвижное зацепление.
Работа дифференциала при поворотах и движении по прямой
При повороте
Когда автомобиль поворачивает, силы сопротивления и нагрузки распределяются следующим образом:
- Внутреннее колесо, которое имеет меньший радиус от центра поворота, испытывает большую силу сопротивления, чем внешнее колесо. Увеличение нагрузки заставляет его снижать скорость поворота.
- Напротив, внешнее колесо, которое движется по большему радиусу (большей траектории), должно увеличить свою угловую скорость для того, чтобы автомобиль поворачивал плавно, без заноса.
Поэтому колеса должны иметь разные угловые скорости. Замедление вращения полуоси внутреннего колеса приводит сателлиты в движение. Они, в свою очередь, увеличивают скорость полуоси наружного колеса посредством конической передачи. Крутящий момент от главной коробки передач остается постоянным.
При пробуксовке
Колеса автомобиля, движущегося даже прямо по скользкой дороге или бездорожью, могут подвергаться различным нагрузкам: одно колесо проскальзывает, теряя сцепление с дорогой; другое, испытывая повышенную нагрузку, замедляется. Схема вращения повторяется. Только теперь ущерб нанесен: проскальзывающее колесо может получить 100% крутящего момента, воспринимаемого дифференциалом, а нагруженное колесо вообще перестанет вращаться. Движение автомобиля прекратится.
Эти недостатки решаются разными способами:
- ручная или автоматическая блокировка;
- внедрение системы направленной стабилизации.
Блокировка дифференциала и система курсовой устойчивости
Гидравлически активируемая блокировка дифференциала с ограниченным скольжением
Для того, чтобы снова добиться такого же крутящего момента на полувалах, звездочки должны быть заблокированы или направлены от чашки к нагруженному полувалу.
Это особенно важно для полноприводных внедорожников 4х4. Не в последнюю очередь потому, что они предназначены для пересеченной местности. Как только автомобиль, оснащенный тремя дифференциалами (два межколесных, один межосевой), теряет сцепление хотя бы в одной из четырех точек — значения крутящего момента остальных колес устремляются к нулю, и машина отказывается двигаться.
Блокировка помогает избежать неприятностей, которые могут быть частичными или полными (в зависимости от степени перераспределения сил между осями), и могут быть ручными или автоматическими (в зависимости от степени контроля со стороны водителя).
Хорошо работают самоблокирующиеся дифференциалы, которые распределяют крутящий момент в зависимости от разницы между осями или на основе угловых скоростей.
Самым современным способом устранения недостатков стыка является электронная блокировка, реализованная на базе системы курсовой стабилизации, датчики которой отслеживают все необходимые параметры во время движения автомобиля. На основе полученных данных происходит автоматическая настройка работы автомобиля.
Безопасность прежде всего
Дифференциал разработан для обеспечения безопасного и комфортного маневрирования на автостраде. Описанные выше недостатки относятся к вождению в экстремальных условиях, а также на труднопроходимой местности. Поэтому, если автомобиль оснащен механическим приводом блокировки дифференциала, его следует использовать только в подходящих дорожных условиях. А эксплуатация автомобилей на автомагистралях, которые трудно «убедить» ехать медленнее 100 км/ч без дифференциала, невозможна и даже опасна. Такой простой, но бесконечно важный механизм в передаче.
