Виды, устройство и принцип работы дифференциала
Устройства
Опубликовано 08.09.2021
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 при прохождении поворотов. 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, а также в гололед (и других сложных погодных условиях), дифференциал может сделать автомобиль непригодным для движения. Что такое дифференциал, как он устроен, его вред для внедорожников и как с ним бороться — об этом 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 разрезе
При прямолинейном движении, когда колеса нагружены одинаково и имеют одинаковую угловую скорость вращения — механизм действует как передаточное звено. При изменении условий движения (поворот, скольжение) нагрузка становится неравномерной. В этом случае полуоси должны вращаться с разной скоростью, поэтому необходимо распределить на них возникающий крутящий момент в определенном соотношении. Этот блок выполняет вторую важную функцию: он обеспечивает безопасное маневрирование автомобиля.
Система 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 трансмиссия (для передачи крутящего момента на ведущие мосты).
Дифференциал появился на автомобилях не сразу. Конструкторы первых «самодвижущихся экипажей» были озадачены плохой маневренностью своих изобретений. Если при выполнении поворота колеса вращаются с одинаковой угловой скоростью, это приводит 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 Пеккера проблема поворота 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 использовался в автомобилях Volkswagen.
Как устроен дифференциал
Устройство работает как планетарный редуктор. Основная конструкция дифференциала состоит из полуосевых шестерен (5) и сателлитов (4), которые помещены в стакан (3). Чашка (корпус) жестко соединена с ведомой 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 действием 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, асимметричный дифференциал с цилиндрической шестерней устанавливается между осями полноприводных автомобилей.
Заднеприводные и переднеприводные автомобили оснащаются коническими симметричными дифференциалами.
Червячная передача, как наиболее универсальная, используется во всех типах оборудования с любыми приводами.
Схема работы дифференциала
Давайте рассмотрим принцип работы симметричного межосевого конусного дифференциала, который распределяет крутящий момент между колесами при трех различных условиях:
- прямо вперед;
- повороты;
- скольжение.
При прямолинейном движении
Движение по прямой характеризуется равномерным распределением нагрузки между колесами автомобиля. Они имеют одинаковую угловую скорость. Спутники в корпусе не вращаются вокруг собственной оси. Они передают крутящий момент от шестерни редуктора к полуоси через неподвижную зубчатую передачу.
Работа дифференциала при повороте 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.
- 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, поглощенного 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
Чтобы снова добиться такого же крутящего момента на полувалах, звездочки должны быть зафиксированы 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), хотя бы в одной из четырех точек, теряет тягу — значение крутящего момента на оставшихся колесах стремится 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).
Очень хорошо зарекомендовали себя самоблокирующиеся дифференциалы, которые распределяют крутящий момент в зависимости от разницы между полуосями или в соответствии со значениями угловой скорости.
Наиболее современным способом устранения недостатков перекрестка является электронная блокировка, реализованная на базе системы курсовой стабилизации, датчики которой отслеживают все необходимые параметры во время движения автомобиля. Работа автомобиля регулируется автоматически на основе полученных данных.
Безопасность прежде всего
Дифференциал разработан для обеспечения безопасного и комфортного маневрирования на автостраде. Описанные выше недостатки относятся к вождению в экстремальных условиях, а также в труднопроходимой местности. Поэтому, если автомобиль оснащен ручной блокировкой дифференциала, ее следует использовать только в подходящих дорожных условиях. И невозможно и даже опасно эксплуатировать на автомагистралях автомобили, которые без дифференциала вряд ли можно «уговорить» ехать медленнее 100 км/ч. Такой простой, но бесконечно важный механизм в передаче.
https://offro.ru/tech/vidy-ustroystvo-i-princip-raboty-differenciala