Дифференциал автомобиля: устройство и принцип работы
О чем речь? Дифференциал автомобиля представляет собой узел, обеспечивающий ведущей паре колес в один момент времени разные угловые скорости с сохранением постоянного потока крутящего момента.
Когда нужен? Его работа важна в различных ситуациях, но прежде всего при поворотах. Ведь движение по дуге предполагает, что колеса с одной стороны машины совершают больший путь, чем те, что с другой. А значит, для сохранения стабильности автомобиля их скорость должна быть выше.
Вопросы, рассмотренные в материале:
- История создания дифференциала автомобиля
- Устройство дифференциала автомобиля
- Принцип работы дифференциала автомобиля
- Типы дифференциалов автомобиля
- Местонахождение дифференциала автомобиля
- Блокировки в дифференциале автомобиля
- Признаки проблем с дифференциалом автомобиля
- Часто задаваемые вопросы о дифференциале автомобиля
История создания дифференциала автомобиля
Автомобили с двигателем внутреннего сгорания стали оснащать дифференциалами уже спустя некоторое время после их появления. Это связано с тем, что первыми изобретенными моделями было весьма сложно управлять.
Когда машина входила в поворот, колеса одной оси двигались с равной угловой скоростью, из-за чего внешнее колесо, проходящее больший радиус, чем внутреннее, начинало пробуксовывать.
Проблема была решена довольно быстро, конструкторы начали использовать дифференциал, разработанный инженером Оливером Пекке-Ромом во Франции в 1828 г. для паровых повозок. Он состоял из шестерен и валов, передающих крутящий момент ведущим колесам от двигателя. Однако установка дифференциала решила прошлую проблему, но создала новую: теперь пробуксовывать начинало колесо, теряющее хорошее сцепление с дорожным покрытием.
Фердинанд Порше провел ряд исследований и опытов для создания дифференциала с ограничением проскальзывания, и через три года протестировал и выпустил на рынок кулачковый дифференциал с ограниченным проскальзыванием, ставший первым механизмом подобного типа. Впервые такой дифференциал применили на моделях легкового автомобиля Volkswagen. Со временем были разработаны другие виды данного механизма, мы рассмотрим их дальше.
Устройство дифференциала автомобиля
Назначение дифференциала автомобиля заключается в передаче крутящего момента колесам от коробки передач. Дифференциал может распределять мощность двигателя на левое и правое колесо по-разному, добиваясь в случае необходимости равных скоростей вращения колесной пары или направляя весь крутящий момент в одну сторону, по сути, оставляя второе без движения.
Конструкция межколесного дифференциала автомобиля состоит из следующих компонентов:
- корпус дифференциала с закрепленной на нем ведомой шестерней редуктора;
- шестерни-сателлиты (чаще всего две, но в дифференциалах грузовых автомобилей их может быть четыре);
- ось сателлитов, которая может иметь форму единого стержня при наличии двух сателлитов или крестообразную форму при четырех сателлитах;
- две шестерни полуосей, к которым крепятся полуоси колес.
Автомобильные конструкторы усовершенствовали дифференциал, используя основы работы планетарной передачи. Суть в том, что благодаря двум степеням свободы сцепления между полуосями и шестернями-сателлитами дифференциал, получая крутящий момент от двигателя, может перераспределять его на колеса по-разному, обеспечивая их вращение с разными скоростями.
Принцип работы дифференциала автомобиля
Давайте изучим принцип работы дифференциала автомобиля в трех типичных ситуациях: автомобиль движется прямо, поворачивает, пробуксовывает одно из ведущих колес.
Машина едет по прямой:
- Ведомые шестерни и корпус дифференциала получают крутящий момент от ведущей шестерни главной передачи.
- Сателлиты, оставаясь в неподвижном состоянии, передают усилие на шестерни полуосей.
- Шестерни полуосей и корпус дифференциала вращаются равномерно, соответственно, скорость вращения обоих колес одинакова.
При вхождении в поворот:
- Крутящий момент передается на ведомую шестерню от ведущей шестерни главной передачи.
- Шестерни полуосей приходят в движение благодаря ведомой шестерне.
- Шестерня полуоси колеса внутреннего радиуса поворота получает большее сопротивление, замедляется и передает усилие сателлитам.
- Шестерни-сателлиты, придя в движение, увеличивают скорость вращения шестерни полуоси колеса внешнего радиуса поворота.
- В результате то колесо, что едет по внешнему радиусу, становится быстрее, а на внутреннем замедляется.
В случае пробуксовки одного из ведущих колес:
- Усилие, передаваемое от ведущей шестерни, приводит в движение шестерни полуосей.
- Шестерня полуоси колеса, получающего большее сопротивление от сцепления с поверхностью, замедляется, приводя сателлиты в движение.
- Сателлиты увеличивают скорость вращения колеса, получающего меньшее сопротивление, то есть пробуксовывающего.
В результате мы получаем ситуацию, в которой колесо, попавшее на лед или застрявшее в грязи, получает от дифференциала автомобиля большую скорость вращения, так как сопротивление поверхности у него ниже. В итоге возникает пробуксовка. Второе колесо, находящееся на твердой поверхности с хорошим сцеплением, за счет которого, по идее, можно было бы попробовать решить возникшую проблему, практически останавливается. В результате из сложившейся ситуации нет выхода, машина останавливается. Чтобы исключить подобные проблемы, в дифференциалы стали добавлять блокировки.
Типы дифференциалов автомобиля
Механизмы классифицируются по различным параметрам:
Типы зубчатых передач:
- червячного типа;
- цилиндрического типа;
- конического типа
Количество зубьев шестерен.
Симметрия зубьев шестерен:
- симметричные;
- несимметричные.
Устройства подбираются в зависимости от типа автомобильного привода. Если червячный тип передачи можно использовать для любых автомобилей, то в дифференциалах переднеприводных автомобилей (и заднеприводных) используется конический симметричный узел, а цилиндрический несимметричный – вариант дифференциала автомобилей с полным приводом.
Местонахождение дифференциала автомобиля
Конструкция транспортного средства определяет местоположение межколесного дифференциала автомобиля. У авто с передним приводом он находится в корпусе КПП, в то время как дифференциал заднеприводного автомобиля расположен в корпусе заднего редуктора или моста. Машины с полным приводом оснащены двумя межколесными дифференциалами и еще одним межосевым, который располагается в корпусе коробки передач или раздатке.
Если оси соединены жестко, можно передвигаться исключительно по скользкой поверхности, по сути, позволяя описанную выше пробуксовку колес. Или же одна из осей подключается только в момент проскальзывания колес другой, но не жестко (через фрикционы), ненадолго или при медленном движении.
Блокировки в дифференциале автомобиля
Если водитель сталкивается с ситуациями, когда свободное вращение колес неуместно, ему нужно обеспечить вращение всего дифференциала как единого целого, чтобы перераспределить момент между колесами или осями должным образом. Это достигается различными способами.
- Имитация блокировки
В современных автомобилях установлено огромное количество электроники, контролирующей и управляющей всеми системами, в том числе она отслеживает скорость вращения каждого колеса. Если обнаруживается, что разница на одной оси значительно превышает допустимую в повороте, а значит, колесо пробуксовывает, система замедляет его скорость штатными механизмами. Таким образом часть крутящего момента перераспределяется на другое колесо, сцепление которого с дорожной поверхностью лучше. В результате ситуация, когда одно колесо беспомощно буксует, а машина стоит без движения, невозможна.
Однако это всего лишь имитации блокировки дифференциала.
- Принудительная блокировка
Такой механизм присутствует во многих внедорожниках, включая нашу «Ниву». Нюансы исполнения могут различаться, но суть остается одной и той же. Водитель активирует физическую блокировку шестерен-сателлитов перемещением соответствующего рычага или нажатием кнопки, после чего происходит уравнение скорости колес за счет равномерного распределения между ними получаемого крутящего момента.
Подобная система обеспечивает лишь два состояния: дифференциал или заблокирован, или нет. В заблокированном состоянии движение на твердых поверхностях с высокой скоростью крайне нежелательно, так как это приводит к значительным нагрузкам на трансмиссию. Вот почему принудительная блокировка используется только на внедорожниках, предназначенных для движения по мягким грунтам.
- Самоблокирующиеся дифференциалы
Их также называют дифференциалами автомобиля повышенного трения (LSD, от английского limited slip differential). Эти конструкции применяются на автомобилях, требующих повышенной проходимости, кроссоверах и мощных автомобилях, включая спорткары. Его главный плюс заключается в возможности изменения степени блокировки — от работы дифференциала как единого целого до свободного вращения колес. Этот процесс происходит автоматически, без участия водителя.
Для блокировки дифференциала используются вязкостные или фрикционные муфты, похожие на муфты в автоматических коробках передач. Механизм действия дифференциалов такого типа может различаться, но в целом он основан на замыкании одного приводного вала на корпус дифференциала. Чем сильнее проскальзывание одного колеса, тем сильнее муфта замыкается, чтобы разница скорости вращения осей уменьшалась.
Существуют также конструкции с червячной передачей, такие как дифференциал торсен. В нем сигнал к блокировке подается на основе разницы в крутящем моменте на каждом колесе. По сути, торсен сравнивает разницу сцепления с дорожными покрытиями под колесами и реагирует точнее и быстрее, чем конструкции с муфтами, но он более сложный конструкционно и поэтому дороже в изготовлении и обслуживании.
Самоблокирующийся дифференциал подходит для любых поверхностей: в стандартном режиме он действует как обычный дифференциал, потому что в повороте разница в скорости вращения колес небольшая. Это объясняет его широкое применение в кроссоверах. Недостатком является склонность LSD с муфтой к перегреву, если пробуксовка затянулась, но после остывания дифференциал продолжает нормально функционировать.
Признаки проблем с дифференциалом автомобиля
Неисправности дифференциала автомобиля приводят к ухудшению управляемости машины, поэтому необходимо регулярно проверять его состояние и своевременно выявлять возможные проблемы. Если вы заметили необычный шум от трансмиссии, можете лично провести предварительную проверку.
Для этого поднимите ведущую ось, установите коробку передач в нейтральное положение и прокрутите колеса. Сначала каждое колесо отдельно, затем зафиксируйте одно колесо и прокрутите второе. Если колеса свободно вращаются и вперед, и назад, без странных звуков и лишнего шума, то дифференциал исправен. Однако если у вас возникло беспокойство, лучше обратиться в автосервис для профессиональной диагностики.
Межосевой дифференциал не получится проверить таким способом, однако есть внешние признаки, указывающие на возможные проблемы с ним. Вот некоторые из них:
1. Повышенный шум под нагрузкой свидетельствует об износе ведомой шестерни.
2. Воющий гул указывает на проблемы с сателлитами.
3. Хруст при нагрузках разного типа говорит о критическом износе подшипников дифференциала или полуосей.
4. Посторонние стуки могут быть причиной низкого уровня масла.
5. Масляные подтеки сообщают о необходимости замены прокладок и сальников.
Также, если дифференциал расположен в корпусе редуктора, высокая температура его поверхности может указывать на неполадки с маслом, требуется доливка или полная замена.
Часто задаваемые вопросы о дифференциале автомобиля
Каковы недостатки дифференциала?
Один из основных недостатков дифференциала заключается в том, что его ключевое преимущество — способность передавать до 100 % мощности на одно из колес — иногда приводит к негативным последствиям. В ситуациях, когда одно колесо испытывает недостаток сцепления с поверхностью, большая часть мощности будет направлена на него. Поэтому, даже если одно колесо находится на поверхности с хорошим сцеплением, автомобиль может оказаться не в состоянии начать движение.
Как решается упомянутая выше проблема?
Для решения этой задачи были созданы различные типы конструкций: дифференциалы с увеличенным внутренним сопротивлением (так называемые самоблоки) и дифференциалы с принудительной блокировкой, управляемой вручную или автоматически. В зависимости от особенностей конструкции и предназначения эти механизмы могут либо перераспределять поток мощности в пользу колеса с лучшим сцеплением с поверхностью, либо полностью блокировать дифференциал, обеспечивая равную скорость движения колес.
Какие ситуации вызывают необходимость блокировки дифференциала?
Блокировка дифференциала устроена таким образом, что ее преимущества проявляются лишь при движении по пересеченной местности. Если транспортное средство перемещается по качественным дорогам в городе, эта функция становится менее актуальной. Установка самоблокирующегося дифференциала трансмиссии автомобиля усложняет ее конструкцию и делает автомобиль дороже, что затрудняет обслуживание и ремонт.
В чем преимущества самоблокирующегося дифференциала?
Автоматический червячный дифференциал с блокировкой помогает легко выходить из ситуации, когда одно колесо попадает на скользкую поверхность. Если же на машине свободный дифференциал, это создаст немало проблем.
Автомобиль с дифференциалом однозначно более безопасен. Устройство обеспечивает комфортное движение по шоссе и выполнение сложных маневров. Однако при движении по бездорожью и скользкой дороге управляемость автомобиля с дифференциалом становится хуже. И тут вас спасет блокировка. Большинство современных автомобилей оснащены автоматической блокировкой, поэтому проблем с ее использованием обычно не бывает. Если же у вас ручная блокировка, помните, что включать ее нужно только на самых тяжелых участках дороги. Иначе вы рискуете серьезно повредить шины.