Просто о сложном: дифференциал – что это и зачем

Дифференциал является неотъемлемой частью любого четырехколесного транспортного средства. Если говорить коротко, то этот узел позволяет ведущим колесам одновременно вращаться с разной скоростью. Зачем это нужно и почему на многих автомобилях требуется устанавливать блокиратор для этого важного узла, рассмотрим подробно.

Немного теории

Двигатель передает свою мощность через карданный вал на ведущие колеса. Если рассматривать траекторию, по которой проходят колеса во время поворота, несложно заметить, что внутреннее колесо проходит меньший путь, чем внешнее. Это значит, что скорость внутреннего колеса всегда меньше, чем внешнего. Если бы колеса были жестко соединены с полуосью, автомобиль бы всегда поворачивал со значительными пробуксовками, и чтобы этого не происходило, требуется дифференциал. Его главное назначение — обеспечить ведущим колесам различную частоту вращений при переводе мощности от ДВС.

По своим конструкциям, узлы относятся к двум классам:

• простой;
• ДПВС (дифф. с повышенным внутренним сопротивлением).

Последние классифицируются на узлы с большой чувствительностью к разрыву, или момента, или угловых скоростей. По конструктивному типу блокиратора дифференциал с высоким внутренним трением разделяется на узел с блокиратором:

• винтовым;• червячным;• дисковым;

  • шариковым;

  • вискомуфта;

  • насос героторный.

Особенности конструктивного типа и принцип работы свободного дифференциала

Это самый простой тип дифференциала, где не установлены никакие блокираторы. Конструкция позволяет изменять скорость ведущих колес при передаче мощности на оба колеса.

Рассмотрим подробно схему работы свободного агрегата. Мощность двигателя передается с ведущей шестерни вала карданного на ведомую шестеренку дифференциала. Ведомая шестерня стоит на жесткой сцепке с сателлитом, который расположен внутри дифференциала. Для легковых машин, седанов, хетчбеков, кроссоверов устанавливают два сателлита. Для грузового транспорта, на некоторых внедорожниках можно встреть четыре, иногда шесть, десять шестерен.

Сателлиты выполняют движение двух типов, крутятся на пару с ведомой шестерней и вокруг своей оси. Далее сателлиты соединены через передачу зубчатую с двумя полуосевыми шестернями. Это позволяет передать мощность от мотора на оба колеса.

Если автомобиль движется строго прямо, сателлит крутится только совместно с ведомой шестеренкой и неподвижен по своей оси. Во время такого хода сателлит и полуосевая шестерня работают совместно, аналогично жесткому соединению. Но такие ситуации занимают всего 5% от времени движения транспортного средства. Даже при езде на шоссе водитель корректирует поведение машины и осуществляет пусть и небольшие, в 3-5 градусов, но повороты.

Во время поворота шестерни-сателлиты начинают оборачиваться по своей оси, передавая различную угловую скорость на полуосевые шестерни, разрешая таким образом колесам во время поворота вращаться по-разному. Поворачивая направо, правое колесо будет крутиться со скоростью меньшей, чем левое, и наоборот. Это позволит автомобилю не буксовать и не «рвать дифференциал».

У свободного дифференциала есть один главный недостаток — он перестает работать, если ведущие колеса имеют разный показатель давления во время сцеплении с дорожным полотном. Простой дифференциал всегда передает большую силу на колесо с низким показателем — например, если оно попало на лед, второе колесо, стоящее на ровном участке, получит минимальную мощность, и автомобиль начнет буксовать. Для решения этой проблемы в технологии дифференциала используются либо блокираторы, либо другой конструктивный тип узла — ДПВС.

Особенности конструкции ДПВС

В свободном или простом дифференциале правая и левая полуось не связаны жестко между собой. Дифференциал с увеличенным внутренним трением позволит ограничить независимость полуосей относительно друг друга. Одна из главных и часто встречающихся схем ограничения вращения — это принцип на основе блокировки через диски (дифференциал высокого трения).

В конструкции ДПВС, кроме главных узлов свободного дифференциала, встроен комплект фрикционных и стальных шайб, которые расположены между полуосевой и корпусом. Фрикционные диски соединяются с полуосевой, стальные шайбы соединяются с корпусом узла.

Полуосевая шестерня и диски фрикционные всегда вращаются вместе, стальные же диски вращаются только с блоком корпуса. Если пакет дисков сжать, то вся конструкция начнет двигаться как единое целое, и мощность будет передаваться на ось напрямую, замедлив или остановив вращение сателлита.

В пространство между полуосевыми шестернями устанавливается пружина преднатяга, которая оказывает постоянное давление на диски сцепления, слегка их сжимая. Кроме этого, особая конструкция шестерни сателлита и люфт, который есть между полуосью и полуосевой шестерней, увеличивают отталкивающую силу, которая будет сжимать диски на той оси, колесо которой имеет лучшее сцепление. Это позволит распределить мощность на буксующее колесо, которое находится на льду, и на то, которое находится на ровном месте равномерно, и проскальзывание прекращается.

Червячный блокиратор

В конструктивной схеме дифференциала с данным типом блокировки используется планетарная передача шестеренок и сателлитов на перекрещенных осях. Пары соединяются на оси по принципу червячной передачи. Ярким типом такого агрегата остается технология компании Torsen NA Inc дифференциал Торсен. Основная функция узла такая, как и у любого другого — распределение мощности между мостами или по осям колес. Агрегат относится к классу дифференциалов, реагирующих на момент.

Технология позволяет автоматически заблокировать необходимый сателлит (или серию сателлитов) при сравнительно небольшом различии момента. В конструкции «Торсен 1» используются ведомая полуосевая червячная шестеренка, ведущий червячный сателлит. В основе лежит принцип: движущаяся червячная шестерня может поворачивать червячный сателлит, вращение же наоборот невозможно.

Червячные пары устанавливаются в корпус дифференциала. Мощность распространяется на сателлиты, которые соединяются с прямозубыми шестернями. При езде прямо шестерни-сателлиты толкают, не крутят червячные шестерни, момент и мощность передаются на ведущие колеса пропорционально. При повороте, например, направо червячная шестерня левой полуоси заставит сателлит начать вращение вокруг своей оси. При этом правый сателлит начнет вращение в противоположную сторону, обеспечивая правому колесу меньшую скорость. Зацеп прямозубых шестерен на концах сателлитов обеспечит их равную скорость вращения.

При варианте, когда колеса имеют разное сцепление с дорогой, в дифференциале Torsen произойдет передача избыточной скорости буксующего колеса на червячный сателлит, который через планетарную передачу передает избыточную скорость смежному сателлиту второй полуоси. Поскольку сателлит не может вращать соответствующую полуосевую шестерню, происходит абсолютная блокировка дифференциала. Это позволяет распределить момент и мощность равномерно на две полуоси.

Дифференциал с винтовым блокиратором

Узел с винтовой блокировкой имеет в конструкции простейшие рядные или двухрядные планетарные передачи. В конструкции винтовая передача в классическом виде не применяется. Название произошло от того, что шестерня-сателлит похожа на винт. Главная особенность винтового дифференциала — это использование цилиндрических шестерен с косыми зубьями на всех зацепляющих парах.

Сателлиты производят вращение не по своей оси, а в цилиндрическом блоке. Блокировка происходит в то время, когда при косом зацеплении значительно увеличивается осевая сила, которая при проскальзывании колеса расклинивает сателлиты в своих блоках. Шестерни-сателлиты давят на корпус узла, одновременно выравнивая угловые скорости ведомых шестерен. В конструкции винтовых дифференциалов используются до семи пар сателлитов.

Межосевой дифференциал

Аналогичный узел, который устанавливается не между колесами, а между передней и задней осью. Межосевой дифференциал распределяет мощность и момент на четыре колеса в автомобилях с полным приводом. В конструкции межосевых дифференциалов также есть простые (свободные) конструкции, с коэффициентом повышенного внутреннего сопротивления, с возможностью полной или частичной блокировки.

Расположен узел чаще всего в раздаточной коробке и разделяется на симметричный и несимметричный.

Симметричный межосевой узел распределяет момент на оси 50/50. Несимметричный узел может распределять мощность и момент в разных пропорциях, в зависимости от конструкции и условий езды.

Вискомуфта

В современных конструкциях для блокировки главных деталей простого дифференциала используют вискомуфту и героторный насос. Это позволяет снизить трение внутренних шестерен дифференциала, как шестерен-сателлитов, так и ведомых полуосевых, за счет использования силы вращения плотной среды в конструкции.