Дифференциал — это передаточный механизм, который распределяет приложенный к нему крутящий момент между осями трансмиссии и позволяет колесам вращаться с разными угловыми скоростями. Особенно это заметно при повороте автомобиля. Дифференциал обеспечивает надежную и комфортную езду по дорогам с твердым покрытием. Но если машина выезжает за ее пределы и продолжает движение по пересеченной местности, а также в случае гололеда этот механизм может лишить автомобиль возможности двигаться.
Возникновение дифференциала в автомобилях
Дифференциал в автомобиле — это механизм, который распределяет крутящий момент карданного вала трансмиссии между ведущими колесами передней или задней оси, позволяя каждому из них вращаться без пробуксовки. Это основная цель дифференциала.
При прямолинейном движении, когда колеса одинаково нагружены и имеют одинаковую угловую скорость вращения, механизм действует как звено передачи. При повороте или пробуксовки нагрузка становится неравномерной. В этом случае необходимо, чтобы полуоси вращались с разными скоростями и как следствие, возникает необходимость распределять полученный крутящий момент между ними в определенной пропорции. Таким образом узел выполняет вторую основную функцию: обеспечение надежного маневрирования транспортного средства.
Схема дифференциала зависит от типа тяги автомобиля:
- Передний привод — коробка передач.
- Задний привод — корпус ведущего моста.
- Полный привод — корпуса переднего и заднего моста (для передачи крутящего момента на ведущие колеса) или раздаточная коробка (для передачи крутящего момента на ведущие оси).
Дифференциал в машинах появился не сразу. Конструкторы первых «самоходных лафетов» были очень заинтригованы малой маневренностью их изобретений. Вращение колес с одинаковой угловой скоростью при прохождении кривой приводило к тому, что одно из них начинало буксовать или, наоборот, полностью теряло контакт с дорогой. Инженеры вспомнили, что первые прототипы машин, приводимых в движение паровыми двигателями, имели устройство, предотвращающее потерю управляемости.
Механизм распределения крутящего момента был изобретен французом Онесифором Пеккёром. Устройство Пеккёра содержало валы и шестерни. Через них на ведущие колеса подавался крутящий момент двигателя. Но даже после применения изобретения Пеккёра проблема проскальзывания колес на поворотах не была полностью решена. Выявились недостатки системы. Например, одно из колес в какой-то момент потеряло сцепление с дорогой. Наиболее ярко это проявилось в обледенелых районах.
Скольжение в таких условиях раньше приводило к авариям, поэтому конструкторы долго думали, как предотвратить занос автомобилей. Решение было найдено Фердинандом Порше. Он стал изобретателем кулачкового механизма, ограничивающего пробуксовку колес на ведущем мосте. Немецкий дифференциал нашел применение в автомобилях Volkswagen.
Как устроен дифференциал
Агрегат работает как планетарный редуктор. Кузов передает вращение через сателлиты на полуоси, которые вращают ведущие колеса. За счет работы сателлитов возможны разные угловые скорости. Значение крутящего момента остается неизменным.
Использование дифференциалов
Устройства используются для передачи крутящего момента на ведущие колеса и ведущие оси автомобиля.
Грузовые и легковые автомобили, независимо от типа привода, имеют межколесный дифференциал, передающий вращение колесам. Межосевой дифференциал, распределяющий крутящий момент между осями, используется только в автомобилях с полным приводом.
По типу используемой передачи различают следующие типы механизмов:
- конический;
- цилиндрический;
- червячный.
По количеству зубьев шестерен полуосей:
- симметричный;
- несимметричный.
На автомобилях с полным приводом устанавливается несимметричный дифференциал с цилиндрической передачей, так как именно этот вид дифференциала имеет способность пропорционально распределять крутящий момент между осями.
Автомобили с задним и передним приводом оснащены коническим симметричным дифференциалом.
Червячная передача, являясь наиболее универсальной, используется во всех типах устройств со всеми приводами.
Как работает дифференциал
Рассмотрим принцип, по которому работает симметричный межколесный конический дифференциал, который распределяет крутящий момент между колесами в трех различных условиях:
- прямолинейное движение;
- поворот;
- пробуксовка.
Прямолинейное движение
Прямолинейное движение характеризуется равномерным распределением нагрузки между колесами транспортного средства. У них одинаковая угловая скорость. Помещенные в корпусе сателлиты не вращаются вокруг своей оси. Они передают крутящий момент от ведущей шестерни главной передачи на полуосям с помощью неподвижное зубчатое зацепление.
Поворот
Во время поворота транспортного средства силы сопротивления и нагрузки распределяются следующим образом:
- Внутреннее колесо, имеющее меньший радиус от центра поворота, испытывает большее сопротивление, чем внешнее колесо. Увеличение нагрузки приводит к ее замедлению.
- Внешнее колесо, движущееся по большему радиусу (больший путь), наоборот, должно увеличивать угловую скорость, чтобы автомобиль поворачивался плавно, без пробуксовки.
Следовательно, колеса должны иметь разную угловую скорость. Замедление вращения полуоси внутреннего колеса приводит в движение сателлиты. Они, в свою очередь, с помощью конической передачи увеличивают скорость вращения внешней оси колеса. Крутящий момент, полученный от главной передачи, остается неизменным.
Пробуксовка
Колеса автомобиля, движущегося по прямой по скользкой дороге или бездорожью, могут нести разные нагрузки: одно из них скользит, теряя сцепление с дорогой; другое, становясь более нагруженным, тормозит. Схема поворота повторяется. Только вот сейчас она мешает: скользящее колесо может принимать 100% крутящего момента, получаемого дифференциалом, а нагруженное колесо вообще перестает вращаться. Движение автомобиля прекратится.
Эти недостатки работы узла устраняются разными методами:
- ручной или автоматической блокировкой;
- внедрением системы курсовой устойчивости.
Система курсовой устойчивости, блокировка дифференциала
Чтобы крутящий момент полуосей снова был одинаковый, необходимо заблокировать действие сателлитов или гарантировать его передачу от чашки к нагруженной полуоси.
Особенно это актуально для внедорожников 4х4. Не только потому, что они созданы для пересеченной местности. Автомобиль, оборудованный тремя дифференциалами (два межколесных, один межосевой), потерять сцепление по крайней мере в одной из четырех точек — значение крутящего момента остальных колес достигнет нуля, и автомобиль остановится.
Предотвращению проблем способствует блокировка, которая может быть частичной или полной (в зависимости от степени перераспределения сил между осями), либо ручной или автоматической (в зависимости от степени управляемости водителя).
Отлично проявили себя самоблокирующиеся дифференциалы, распределяющие крутящий момент с учетом его разницы в осях или исходя из значений угловых скоростей.
Самым сложным идеальным методом устранения недостатков агрегата является электронная блокировка, реализованный на базе системы курсовой устойчивости, датчики которой контролируют все необходимые параметры во время движения автомобиля. На основании полученных данных производится механическая коррекция работы автомобиля.
Итоги
Дифференциал был призван обеспечить надежное и комфортное маневрирование на трассе. Описанные выше недостатки связаны с ездой в экстремальных условиях и по пересеченной местности. Исходя из этого, если на автомобиле установлен привод ручной блокировки, его следует использовать только в подходящих дорожных условиях. А дорожные автомобили, которые сложно «уговорить» ехать медленнее 100 км / ч, использовать без дифференциала, в общем, нереально, а также опасно. Это простой, но бесконечно важный механизм передачи.
