Дифференциал — устройство, назначение и принцип работы

Функции трансляции и распределения крутящего момента присутствуют во многих механизмах. В оптимизированном виде такие задачи реализуются в обычных автомобилях для обеспечения возможности вращения колес на разных скоростях. Данную работу выполняет дифференциал – в автомобиле это конструкционная часть трансмиссии, позволяющая избегать пробуксовок и улучшающая динамические характеристики.

Дифференциал в трансмиссионной системе

В транспортных средствах дифференциал является функциональным компонентом ходовой части. В зависимости от конфигурации колесных осей он может занимать разные позиции, но принципиально его связка с базовыми исполнительными органами ведущей системы не меняется. Для начала стоит рассмотреть устройство трансмиссии, в которое также входит коробка передач, сцепление, блок отбора мощности и механизм раздачи. В общем комплексе это набор узлов и агрегатов, которые обеспечивают сопряжение двигателя с колесами. К слову, трансмиссия присутствует и в стационарной технике, где требуется соединение других вращающихся органов.

В общем случае механизм обеспечивает передачу рабочему узлу крутящего момента с той или иной силой. Но что такое трансмиссия автомобиля конкретно в связке с дифференциалом? Это техническая инфраструктура, в рамках которой обеспечивается работа ведущей оси. Причем в зависимости от устройства трансмиссии дифференциалов может быть несколько. Например, в машинах с полноприводной подключаемой системой дифференциал присутствует на каждой оси.

Назначение дифференциала

Потребность в данном узле обуславливается различиями в скоростях работы колес. Конечно, на прямой дороге они движутся в одинаковом режиме, но малейший поворот заставляет одно из колес проходить большее расстояние, чем противоположное на той же оси. В ином случае будет иметь место пробуксовка. Иными словами, что такое дифференциал в автомобиле на практике? Это механизм, благодаря которому ведущие колеса в принципе могут вращаться с равными угловыми скоростями в условиях непрерывной трансляции крутящего момента от силового агрегата. Другое дело, что могут быть разные схемы размещения и взаимодействия данного агрегата с другими элементами ходовой части.

Может ли дифференциал отсутствовать в трансмиссии?

Само присутствие дифференциала в конструкции автомобиля как средства разделения и оптимизации мощностных нагрузок на оси вращения является нежелательным. Это компромиссный вариант, который даже с учетом полезной функции оправдывает себя далеко не всегда. В каких же случаях устройство трансмиссии обходится без дифференциала? Преимущественно такая конфигурация возможна и на обычных легковых машинах, но ввиду быстрого износа колес это будет нерациональное решение. С точки зрения эксплуатационной целесообразности исключение дифференциала оправдывается на гоночных автомобилях, у которых ведущая ось – задняя. В частности, речь идет о спорткарах, которые используются на специальных покрытиях с пониженным коэффициентом сцепки. Отсутствует дифференциал и на тяговых машинах наподобие электровозов, тепловозов, электропоездов и т. д.

Конструкционное устройство дифференциала

Принципиальной особенностью дифференциала является наличие планетарной передачи, за счет которой обеспечивается функция вращательно-распределительного действия в трансмиссионном комплексе. Независимо от формата выпуска, устройство будет основываться на трехзвенной планетарной системе без управляющих дополнений. Распределение между уровнями расположения шестерней в передаче определяется внешними командами от ручной КП или автоматическим регулятором – в зависимости от типа трансмиссии. При этом конфигурации звеньев могут меняться. Например, в простейшем устройстве дифференциала межколесного типа предусматривается наличие четырех конических шестерней. Функцию водила (направляющего звена) в данной системе выполняет корпус дифференциала. По отношению к ведущему звену две другие шестерни будут выступать сателлитами.

Работа дифференциала на прямой дороге

Обычные модели дифференциалов могут находиться в одном из трех рабочих режимов в зависимости от текущей задачи трансмиссии. Это может быть движение по прямой, маневр на скользкой дороге или движение в повороте. В каждом случае предусматривается определенная механика срабатывания дифференциала с подачей крутящего момента через ведущий мост к колесам. Так, при движении по прямой оба колеса сталкиваются с равным сопротивлением покрытия. В этом режиме от корпуса подается тяга на сателлиты, которые обегают полуосевые звенья и в равных долях распределяют усилие на колесах.

Работа дифференциала в повороте

При движении в повороте нарушается симметрия распределения крутящего момента, в котором выделяется внутреннее и наружное колесо, получающее большую угловую скорость. Для обеспечения этой разницы полуосевая внутренняя шестерня притормаживается, заставляя свои сателлиты крутиться вокруг оси, наращивая скорость внешних полуосевых шестерней. Хотя устройство дифференциала может иметь несколько планетарных групп в составе, соотношение суммарной частоты вращения всех полуосевых элементов с количеством оборотов ведомой шестерни всегда будет одинаковым. Также и начальный крутящий момент, который подается на внешнюю и внутреннюю сегменты распределения частоты, будет одинаков относительно двух колес независимо от угловых скоростей.

Работа дифференциала на скользкой дороге

В предыдущем случае речь шла о движении по дороге с оптимальной сцепкой, а вмешательство функции дифференциала было вызвано разницей в расстояниях, которые должны были пройти в повороте ведущие колеса. В данной ситуации те же колеса будут выполнять разный объем работы, но по другой причине. На скользкой дороге одно из колес буксует, заставляя и трансмиссию делать соответствующую поправку. Сразу надо подчеркнуть, что в случаях с двумя колесами на скользком покрытии функция дифференциала принципиального и решающего значения не имеет. Итак, буксующее колесо должно работать с увеличенной скоростью, однако крутящий момент будет невелик ввиду недостаточного сцепления. Более выигрышно на скользкой дороге действует дифференциал переднего моста, хотя и в его применении есть свои риски. Дело в том, что контроль колес в данной конфигурации более стабильный, но есть вероятность неуправляемого ухода в больший радиус, после чего увеличится и риск сноса машины. То есть многое в функции дифференциалов будет зависеть от других факторов – траектории движения и условий на дороге помимо снега и наледи.

Блокировка свободного дифференциала

Сама по себе функция блокировки предназначена для более эффективной регуляции соотношения между крутящим моментом и сцепкой колес с покрытием. В конструкции с наличием свободного дифференциала эта задача осуществляется следующим образом: при естественной пробуксовке одного колеса на второе транслируется вращение, недостаточное для движения. Принцип работы блокировки дифференциала в такой ситуации будет заключаться в выполнении двух операций:

• Сопряжение корпуса дифференциала с полуосью, которую необходимо сдерживать.
• Ограничение вращения сателлитов.

Это наиболее распространенная частичная блокировка, при которой обеспечивается эффект регулировки распределения крутящего момента. Но также бывает и полная блокировка, предполагающая жесткую сцепку сегментов дифференциала для максимальной (свободной) передачи вращения на колесо с наилучшим сцеплением.

Дифференциал с принудительной блокировкой

В таких конфигурациях функция блокировки обычно выполняется за счет кулачковой муфты, которая обеспечивает жесткую сцепку с колесами посредством приводного механизма. Системы приводов бывают разными – от классической гидравлики или механики до более инновационных электрических и пневматических устройств. Например, что такое механическая принудительная блокировка в дифференциале автомобиля? Это функция, которая активируется водителем посредством рычага и задействует группу механизмов, среди которых тросы и силовые узлы. Что касается гидравлических приводов, то в них усилие передается по группе цилиндров – в принципе, работает та же механика. Существенные отличия в рабочих схемах имеют современные пневмоцилиндры и электрические приводные устройства, в которых инициация блокировки реализуется путем нажатия кнопки на приборной панели. Далее от поданной команды происходит замыкание назначенных муфт в той или иной схеме – в зависимости от типа блокировки.

Самоблокирующийся дифференциал

Подобные устройства также называют дифференциалами высокого трения. Они формируют промежуточную группу исполнительных механизмов, занимая место между свободными и принудительными средствами блокировки полуосей. Причем самоблокирующиеся системы могут выполнять как свободную, так и полную блокировку в зависимости от текущих требований. Фактором регуляции распределения крутящего момента может выступать и угловая скорость, и разность в силе вращения у ведущих колес. По конструкционному устройству наиболее распространенными считаются механизмы с пакетами фрикционных дисков. Например, блокировка дифференциала заднего моста у внедорожников обеспечивается фрикционными блоками с пружинами. Перспективные разработки в этом направлении связаны с концепцией героторного дифференциала. В его основу входит поршень с насосом, который при фиксации разности угловых скоростей нагнетает техническую жидкость (специальные составы с присадками) и сдавливает фрикционную группу для обеспечения блокировки.

Заключение

Автомобили нового поколения становятся все более функциональными, эргономичными и надежными, что в значительной степени достигается благодаря электронике. В то же время сохраняются рабочие части, агрегаты и механизмы, где применение «умной» техники пока не столь эффективно по сравнению с конструкционным улучшением. Так и устройство дифференциала все еще зависимо от физической реализации систем контроля тяги и сцепления ведущих колес посредством планетарной передачи с ее звеньями. Но и в этой нише есть технологические продвижения. Об этом говорит и все более плотная связка с системами безопасности наподобие блокировщиков ABS, и электронное управление базовыми режимами работы дифференциала.