Что такое дифференциал и как он работает

О дифференциале знают не все водители, но ощущают его работу постоянно. Дело в том, что при прохождении поворотов колеса автомобиля проходят разный по длине путь. Внешнее по отношению к центру поворота колесо преодолевает более длинное расстояние И разница между путем его и внутреннего колеса по мере увеличения крутизны поворота только увеличивается. Соответственно, каждое из колес вращается с разной скоростью.

Если между колесами существует жесткая связь, то в поворотах они будут проскальзывать и, как следствие, покрышки начнут быстро изнашиваться, расход топлива увеличится, а управляемость и курсовая устойчивость перейдут в разряд условных понятий. На машине, у которой колеса одной оси зафиксированы друг относительно друга получится хорошо ездить боком — к слову, некоторые дрифтеры используют так называемую заварку, приваривая полуоси к сателлитам дифференциала. Но мы все-таки говорим о гражданской, а не спортивной эксплуатации.

Для чего нужен дифференциал

Данное устройство, будучи установленным между колесами (межколесный дифференциал) позволяет ведомым валам вращаться с разными угловыми скоростями. Кроме того, он участвует в передаче крутящего момента на колеса — распределяет тягу или, если речь идет о межосевом дифференциале, то делит ее между передними и задними колесами (ведущей передней и задней осью).

Как устроен дифференциал

Традиционный дифференциал устроен просто и гениально. Принципиальная схема его единая, но некоторые сопутствующие технические нюансы могут отличаться в зависимости от типа привода автомобиля.

Наиболее распространенный конический симметричный дифференциал состоит из следующих основных компонентов — корпус, сателлиты (малые конические шестерни), ось сателлитов и полуосевые шестерни. Ведущая шестерня ведущего вала имеет форму конуса и обеспечивает контакт с механизмом дифференциала, а ведомая шестерня приводится ведущей шестерней. Вместе они представляют собой главную передачу или главную пару.

Кстати, дифференциал называется симметричным, поскольку распределяет подводимую тягу поровну вне зависимости от соотношения угловых скоростей колес.

Как работает дифференциал

При прямолинейном движении сателлиты не вращаются относительно своей оси, при этом каждый из них поровну делит крутящий момент ведомой шестерни главной передачи между шестернями полуосей. Все меняется, когда автомобиль движется в повороте, а колесам приходится преодолевать разное расстояние и вращаться с различной скоростью (внешнее вращается быстрее, а внутреннее медленнее). Происходит вращение сателлитов — они обегают шестерни полуосей и делят крутящий момент пополам между колесами, перераспределяя при этом мощность.

Сколько дифференциалов применяется

Количество дифференциалов может отличаться в зависимости от типа привода. На автомобилях, имеющих одну ведущую ось, присутствует один межколесный дифференциал, который объединен с главной передачей. На полноприводных автомобилях межколесные дифференциалы устанавливаются в каждой ведущей оси. Также устанавливается межосевой дифференциал — он распределяет мощность между ведущими осями в зависимости от длины пути, который проходят колеса.

В системе полного привода типа парт-тайм межосевой дифференциал не применяется — передняя ось подключается жестко и со всеми ведущими колесами эксплуатация допустима только в условиях, когда возможно их взаимное проскальзывание. То есть, в снегу, в грязи, в песке. На ровной твердой поверхности езда с подключенной передней осью провоцирует повышенный износ элементов системы полного привода типа парт-тайм.

Недостаток дифференциала

Применение блокировок, речь о которых пойдет ниже, обусловлено главным недостатком конструкции дифференциала. Дело в том, что дифференциал способен передавать до 100% мощности на одно из ведущих колес. Соответственно, если колесо теряет сцепление с дорогой, то автомобиль не сможет тронуться с места, так как второе не вращается. Происходит это из-за того, что момент сопротивления вращению свободно вращающегося колеса минимален, а, соответственно минимален и крутящий момент, который к нему подводится. Значит, минимальна тяга и на противоположном колесе. И пусть вас это не удивляет, ведь крутящего момента без сопротивления не бывает.

Механизмы блокировки дифференциала

Наиболее простой считается так называемая ручная принудительная блокировка дифференциала, которую обычно можно увидеть на внедорожниках. Происходит блокировка сателлитов благодаря блокировочным муфтам. Система простая и надежная, от водителя требуется лишь не забывать ее отключать при движении по ровному твердому покрытию, иначе можно вывести из строя главную пару и мост.

Противоположностью ручной механической блокировке является электронная блокировка или электронная имитация. Применяется она на современных автомобилях, чьи вспомогательные системы позволяют реализовать данный принцип, собственно, без дополнительного механизма в дифференциале. Одно из колес начинает «обгонять» другое, управляющий блок антипробуксовочной системы получает соответствующий сигнал и колесо замедляется тормозными механизмами. Так как у автомобилей с электронной имитацией блокировки применяется свободный дифференциал, то мощность передается на колесо, имеющее недостаточное сцепление с поверхностью. Электронная имитация позволяет преодолевать пересеченную местность и бороться с диагональным вывешиванием, но ее эффективность может снижать недостаточное быстродействие.

Вопросы касательно быстроты срабатывания есть и к вязкостной муфте (вискомуфте). Устроена она следующим образом. В корпус главной пары установлены два пакета дисков, соединенные с левой и правой полуосью, пространство между которыми заполнено вязкостной жидкостью. При нагреве она меняет свои свойства. Когда одна из полуосей начинает вращаться с более высокой угловой скоростью чем другая, вязкость жидкости прогрессивно возрастает. Она сцепляет диски и выравнивает угловые скорости.

Эффективными типами блокировок дифференциалов является Torsen (сложно устроенный механический самоблокирующийся дифференциал с набором червячных шестерен) и винтовые, дисковые, кулачковые и другие механизмы на основе планетарной передачи, которым мы посвятим отдельный материал.