Дифференциал (автомобиль)

Устройство дифференциала(центральная часть)

Дифференциа́л — это механическое устройство, которое передает вращение с одного источника на два независимых потребителя таким образом, что угловые скорости вращения источника и обоих потребителей могут быть разными относительно друг друга.

Назначение

В моделях автомобилей и картах ведущие колёса находятся на одной общей оси. Это нормально, когда автомобиль едет по прямой. Однако в повороте внутреннее колесо проходит меньший путь, чем внешнее, поэтому такая конструкция приводит к пробуксовке внутреннего колеса, что негативно сказывается на управляемости автомобиля, особенно при движении на больших скоростях. Для того, чтобы ведущие колёса вращались несинхронно, и применяется дифференциал.

Назначение дифференциала:

• Передаёт крутящий момент с двигателя на ведущие колёса.
• Служит дополнительной понижающей передачей.
• Позволяет колёсам вращаться с разными угловыми скоростями (из-за этого дифференциал и получил своё название).

Расположение

На автомобилях с одной ведущей осью дифференциал располагается на ведущей оси.

На автомобилях со сдвоенной ведущей осью два дифференциала, по одному на каждой оси.

На вездеходах с отключаемым полным приводом по одному дифференциалу на каждой оси. На таких машинах не рекомендуется ездить по дорогам с включенным полным приводом.

На полноприводных автомобилях есть три дифференциала: по одному на каждой оси (межколёсный), плюс один распределяет крутящий момент между осями (межосевой).

При трёх или четырёх ведущих мостах (колёсная формула 6×6 или 8×8) добавляется ещё межтележечный дифференциал.

Устройство

Дифференциал в разрезе

Классические автомобильные дифференциалы основаны на планетарной передаче. Карданный вал 1 через коническую зубчатую передачу вращает редуктор 2. Редуктор через независимые друг от друга шестерни 3 вращает полуоси 4. Такое зацепление имеет не одну, а две степени свободы, и каждая из полуосей вращается с такой скоростью, с какой может. Постоянна лишь суммарная скорость вращения полуосей.

Проблема буксующего колеса

У обычного дифференциала, если одно из колёс находится на льду или в воздухе, крутиться будет именно это колесо (при этом второе колесо, стоящее на твёрдой земле, неподвижно; логичнее было бы передавать крутящий момент на него).

Аналогично, у гоночного автомобиля в повороте внутреннее колесо загружено слабее внешнего, поэтому на внешнее колесо передаётся недостаточный крутящий момент, в то время как внутреннее находится на грани пробуксовки.

Таким образом, проблема буксующего колеса ухудшает управляемость и проходимость автомобиля.

Способы решения проблемы буксующего колеса

Ручная блокировка дифференциала

По команде из кабины шестерни дифференциала блокируются, и колёса вращаются синхронно. Таким образом, дифференциал можно заблокировать на вязком грунте, и отключить блокировку на асфальте. Применяется в вездеходах и внедорожниках.

При езде на таких автомобилях нельзя включать блокировку, когда автомобиль движется. Также нужно знать, что крутящий момент, создаваемый мотором, настолько велик, что может сломать механизм блокировки или полуось. На заблокированном дифференциале можно ездить только на малых скоростях и только на труднопроходимой местности. Включенная блокировка, особенно в переднем мосту, отрицательно влияет на управляемость.

Электронное управление дифференциалом

На внедорожниках, снабжённых антипробуксовочной системой (TRC и другие), если одно из колёс буксует, оно подтормаживается рабочим тормозом.

Похожее решение было применено в «Формуле-1» в 1998 г. в команде «Макларен»: в повороте внутреннее колесо подтормаживалось рабочим тормозом. Эту систему быстро запретили, однако в Формуле-1 прижилась конструкция фрикционного дифференциала, в котором фрикцион дополнительно управляется компьютером. В 2002 году технический регламент был ужесточён; с этого года и по сей день в Формуле-1 разрешены только дифференциалы простейшего типа.

Преимущество электронного управления в том, что повышается тяга в повороте, и степень блокировки можно настроить в зависимости от предпочтений гонщика. На прямой совсем не теряется мощность двигателя. Недостаток в том, что датчики и исполнительные механизмы обладают некоторой инерцией, и такой дифференциал нечувствителен к быстро меняющимся дорожным условиям.

Фрикционный самоблокирующийся дифференциал

Этот тип дифференциала (как, впрочем, и вязкостная муфта) основан на том, что на прямой полуоси вращаются синхронно с ротором, но в повороте появляется разница в угловых скоростях.

Между ротором 2 и полуосью 4 сделан фрикцион (в зависимости от конструкции, фрикцион может быть на одной полуоси или на двух; на ходовые качества это не влияет). Когда автомобиль движется по прямой, ротор и полуось вращаются с одной и той же скоростью, и трения нет. Чем больше разность в скорости полуосей, тем выше сила трения.

Наиболее эффективный вид дифференциала, он требует периодического обслуживания и поэтому никогда не устанавливается на серийные машины (только на спортивные и тюнингованные).

Вязкостная муфта

Упрощённый вариант фрикционного дифференциала. На одной из полуосей имеется резервуар, заполненный вязкой жидкостью. В эту жидкость погружены два пакета дисков; один соединён с ротором, второй с полуосью. Чем больше разница в скоростях колёс, тем больше разница в скоростях вращения дисков, и тем больше вязкое сопротивление.

Достоинство такой конструкции в простоте и дешевизне. Недостаток в том, что вязкостная муфта довольно инерционна и отказывается работать на полном бездорожье. Хороших ходовых качеств вязкостная муфта не обеспечивает, и применяется только в «паркетниках» (внедорожниках, которые жертвуют проходимостью ради комфорта) между осями. Для установки в качестве осевого дифференциала такая конструкция слишком громоздка.

Иногда вместо дифференциала ставят коническую зубчатую передачу с вязкостной муфтой на одной из полуосей.

Кулачковый/зубчатый самоблокирующийся дифференциал

Принцип действия аналогичен, но полуоси соединяются зубчатой или кулачковой парой. Таким образом, при пробуксовке одного из колёс дифференциал резко блокируется. Поэтому такая система применяется только в военной и специальной технике (например, в бронетранспортёрах), где нужно большое тяговое усилие и высокая долговечность в ущерб управляемости.

Гидророторный самоблокирующийся дифференциал

Попытка повысить эффективность и долговечность фрикционного дифференциала. При возникновении разницы в угловых скоростях насос закачивает жидкость в цилиндр, и поршень сжимает фрикционный пакет, блокируя дифференциал.

DPS

Основная статья: Honda. Достоинства: работает автоматически, на хорошей дороге экономит бензин. Недостатки: ограниченная проходимость, сложность, ограничения на буксировку.

Гипоидные самоблокирующиеся дифференциалы

Существует три типа таких дифференциалов. Все они основаны на свойстве гипоидной зубчатой или червячной передачи «заклинивать» при определённом соотношении крутящих моментов. Такие дифференциалы передают бо́льшую часть крутящего момента (до 80 %) небуксующему колесу.

Есть ещё два типа дифференциалов, основанных на этом же свойстве: дифференциал типа Quaife и планетарный дифференциал.

Применяются во внедорожниках и гоночных автомобилях. Недостатки: сложность; бо́льшая потеря мощности, чем у обычного дифференциала.

Дифференциал Torsen

Дифференциал типа Torsen изобретён в 1958 г. американцем Верноном Глизманом. Имеет достоинства вязкостной муфты и не имеет её недостатков. Название Torsen произошло от англ. Torque sensitive («чувствительный к крутящему моменту»). Torsen — товарный знак JTEKT Torsen North America Inc.

Конструкция дифференциала Торсен основана на червячных шестернях, вращающихся на различных осях. Каждая боковая шестерня является червячной шестерней с шлицевым соединением с выходными чашками. Внутри находится 2 или 3 набора планетарных червячных шестерен (называемых элементными шестернями), перпендикулярных к оси боковых шестерен. Каждый набор состоит из 2-х червячных шестерен, соединенных между собой посредством ведомых шестерен, и зацепленных с боковыми шестернями. Таким образом, две боковые шестерни соединены между собой посредством элементных червячных шестерен.

При изменении сцепления на колесе, давление между элементными шестернями и боковыми шестернями изменяется, вызывая контрвращение элементной пары, смещая вращающий момент на другую сторону. В отличие от других конструкций, датчики вращающего момента работают практически в любых условиях. Даже если колеса вращаются с различными скоростями (поворот, прохождение через ухабы), они тем не менее всегда получают вращающий момент основанный на сцеплении.

См. также

• Трансмиссия

Ссылки

• Работа дифференциала в динамике
• Принцип действия дифференциала на HowStuffWorks(англ.)
• Полный привод (в том числе типы дифференциалов) на 4x4.aaa13.ru
• Типы дифференциалов на 4runner.sovintel.ru
• Самоблокирующийся дифференциал на moskvich-club.na.by
• Статья "Дифференциальное исчисление для внедорожника"

Wikimedia Foundation. 2010.