Дифференциал, его функции, устройство, разновидности

Что такое дифференциал и для чего он нужен?

Чтобы ответить на этот вопрос, давайте представим себе, как двигаются колёса автомобиля на повороте. Траектория их движения будет разной: внешнее колесо должно проделать гораздо более длинный путь, чем внутреннее. Следовательно, угловая скорость вращения колёс должна быть разной: внутреннее должно вращаться медленнее, внешнее – быстрее. Если речь идёт о неведущем мосте, достичь этого совсем несложно, поскольку колёса могут быть между собой не связанными и вращаться независимо. Но если говорить о ведущем мосте, то крутящий момент должен подаваться на оба колеса, иначе автомобиль стал бы практически неуправляемым. В случае же жёсткой связи ведущих колёс возникали бы проблемы на поворотах:  внешнему колесу, которое не успевало бы за внутренним, пришлось бы проскальзывать по дорожному покрытию, что привело бы к очень быстрому износу шин.

Именно с этой целью автомобили оснащаются дифференциалом – механизмом планетарного типа, который перераспределяет крутящий момент, поступающий от двигателя, между осями колёс ведущего моста, позволяя им в случае необходимости вращаться с любым соотношением угловой скорости. В результате, автомобиль нормально управляется и двигается как на поворотах, так и на прямой дороге. При этом среднее арифметическое скорости вращения ведущих колёс будет равно скорости вращения двигателя.

Если автомобиль имеет один ведущий мост, то дифференциал устанавливают между приводами ведущих колёс. В этом случае его называют межколёсным. Если же мы говорим о полноприводном автомобиле, то дифференциал зачастую устанавливают между осями и называют его при этом межосевым.

Планетарный механизм ввиду физических законов имеет свойство передавать усилие на то колесо, которое нагружено в меньшей степени. Если, к примеру, оба ведущих колеса имеют с дорогой одинаковое сцепление и требуют равного усилия для раскручивания, то дифференциал распределит крутящий момент между колёсами поровну. Но если в сцеплении колёс с дорогой возникнет ощутимая разница (к примеру, одно из колёс попало на лёд, а другое осталось на асфальте), то дифференциал тут же этим воспользуется и основные усилия направит на более «лёгкое» колесо, то есть, на то, которое находится на скользком покрытии. В результате оно начнёт крутиться с бешеной скоростью, а то колесо, которое находится на асфальте, совсем перестанет получать вращение и остановится.

Подобным образом работают так называемые симметричные дифференциалы с коническими шестернями, получившие распространение на легковых автомобилях российского производства. В этих механизмах сателлиты работают как равноплечные рычаги, передавая к шестерням полуосей, а, следовательно, и к ведущим колёсам,  только равные усилия.

Естественно, такое явление заметно ухудшает управляемость и проходимость автомобиля, ведь логика вещей требует, чтобы усилия передавались именно на колесо, находящееся на твёрдом покрытии, поскольку только в этом случае автомобиль сможет продолжить двигаться.

Для увеличения показателей проходимости на автомобилях применяется частичная или полная блокировка дифференциалов. Степень блокировки определяется её коэффициентом (Кб) – соотношением момента на колесе отстающем к крутящему моменту на забегающем. Для симметричных дифференциалов Кб всегда равен единице, для дифференциалов повышенного трения этот показатель может находиться в диапазоне от 1 до 5. Чем выше коэффициент блокировки, тем лучше показатели проходимости автомобиля. Говоря другими словами, если Кб равен 3, то момент, передаваемый на отстающее колесо, будет в 3 раза выше, чем на буксующее. Но возможный крутящий момент на колесе в это время составит от 20 до 70%, зависимо от возможностей блокирующего механизма.

На сегодняшний день дифференциалов повышенного трения существует несколько типов:

Дифференциалы с полной блокировкой

Блокировка в таких дифференциалах приводится в действие водителем принудительно. Во включённом состоянии угловые скорости ведущих колёс всегда одинаковы, а это снижает управляемость автомобиля на твёрдом покрытии и приводит к быстрому износу резины.

При этом типе локинга дифференциал фактически прекращает выполнять свои функции, превращаясь в обычную муфту, жёстко сцепляющую полуоси. В действие её механизм приводится пневматическим, гидравлическим или электрическим приводом. Она может быть как межколёсной, так и межосевой. Межосевым дифференциалом с полной блокировкой оснащаются, к примеру, автомобили ВАЗ-2121.

Включать полную блокировку разрешено только при полной остановке автомобиля и использовать её лишь при невысоких скоростях на труднопроходимых участках.

Многодисковые дифференциалы

Многодисковыми называются симметричные дифференциалы, которые в своей конструкции имеют поджатые пружинами пакеты фрикционных дисков. Момент срабатывания (статический преднатяг) составляет у этих дифференциалов от 2 до 12 кг. Механизмы этого типа используются преимущественно в спортивных автомобилях. К их недостаткам относится быстрый износ и после каждого пробега они требуют профилактических работ для восстановления их технических характеристик.

Вискомуфта

Вискомуфта – это полностью герметичное устройство с набором фрикционных дисков, один из которых жёстко связан с корпусом, а другие – с валом. Для увеличения трения жидкости в дисках предусмотрены каналы и отверстия. Внутри корпус вискомуфты на 80 – 90%заполнен жидким силиконом, обладающим высокой степенью вязкости. Этот агрегат является неремонтируемым и в случае протечки жидкости подлежит замене, поскольку именно её количество и вязкость определяют рабочие характеристики дифференциала.

Торсен

Из самого названия – производного от английского «TORQUE» - «момент» и «SENSING» - чувствительность – становится понятным, что данные дифференциалы являются чувствительными к крутящему моменту. Это один из наиболее эффективных форм блокировки дифференциалов.

Сателлиты в корпусе дифференциала располагаются перпендикулярно его оси и попарно соединяются между собой посредством прямозубого соединения. С шестернями полуосей сателлиты связываются червячным зацеплением. В процессе поворота связанная с отстающим колесом шестерня проворачивает зацепленный с нею сателлит, который вращает в свою очередь второй сателлит и полуосевую шестерню. При помощи такой жёсткой механической связи колёса получают возможность обращаться с различными скоростями. Возникающие в зацеплении червячного типа по причине разности крутящих моментов на колёсах силы трения и осуществляют блокировку дифференциалов.

К недостаткам данной конструкции следует отнести сложность её изготовления, сборки и ремонта.

Квайф

Данная конструкция была запатентована под маркой «QUIFE» и названа так по имени своего создателя Рода Квайфа. Сателлиты в ней располагаются двухрядно параллельно к оси вращения корпуса. При этом они размещаются в закрытых с двух сторон отверстиях в корпусе, а не крепятся, как обычно, на осях. Правосторонние сателлиты, а их количество может быть от 3 до 5, зацепляются с правой полуосевой шестернёй, сателлиты левого ряда -  с левой. Помимо этого, сателлиты, находящиеся в разных рядах, через один зацепляются друг с другом.

Все зубчатые колёса оснащены винтовыми зубьями с одним и тем же модулем и углом профиля. Число сателлитов и количество зубьев полуосевых шестерней определяется условиями собираемости конструкции в целом.

В случае, если одно из колёс отстаёт, связанная с ним шестерня полуоси начинает вращаться с меньшей скоростью, чем корпус дифференциала, поворачивая сателлит, находящийся с нею в зацеплении. Тот передаёт вращение сателлиту, связанному с ним, а оттуда крутящий момент поступает на шестерню полуоси. Таким образом обеспечиваются различные обороты колёс во время поворота. Благодаря разности в крутящих моментах на колёсах, в винтовых зацеплениях возникают силы осевой и радиальной направленности, которые прижимают шестерни полуосей и сателлиты к корпусу их торцами или к разделителю крышками. При этом появляются силы трения, которые и осуществляют блокировку, что позволяет увеличить силу тяги в автомобиле, а следовательно – и его проходимость.

Величина коэффициента блокировки находится в прямой зависимости от угла, под которым располагаются зубья шестерни. Изменяя в процессе проектирования углы наклона зубьев (так называемый «угол спирали»), можно изменить Кб в той степени, в которой это необходимо для автомобиля, исходя из его характеристик и предполагаемых условий его применения и эксплуатации.

Дифференциалы этого типа самое большое распространение получили в тюнинге. Производство блокировок этого типа налажено и в России: ими оборудуются некоторые модели автомобилей УАЗ.