Дифференциал автомобиля. Разновидности и особенности функционирования

В статье:

• Почему нельзя обойтись без дифференциала
• Виды дифференциалов
• Как функционирует дифференциал и зачем его блокировать
• Типы блокировок
• Полная принудительная блокировка
• Дисковая (фрикционная) блокировка
• Вискомуфта
• Торсен
• QUAIFE

Дифференциалом называется механизм, передающий вращающий момент от одного источника двум потребителям. Его ключевой особенностью является способность перераспределять мощность и обеспечивать разные угловые скорости вращения потребителей. Применительно к дорожному транспортному средству это означает, что посредством дифференциала колеса могут получать разную мощность и вращаться с разной скоростью.

Дифференциал является важным элементом автомобильной трансмиссии. Попробуем разобраться, почему так.

Почему нельзя обойтись без дифференциала

Строго говоря, без дифференциала можно обойтись. Но только до тех пор, пока автомобиль движется по безупречной трассе, никуда не сворачивая, а шины у него одинаковые и равномерно накачанные. Иными словами, пока все колеса проезжают одинаковый путь и вращаются с одинаковой скоростью.

Но когда машина входит в поворот, колесам приходится преодолевать разное расстояние. Очевидно, что внешняя дуга поворота длиннее внутренней, поэтому колесам, движущимся по ней, приходится крутиться быстрее, чем колесам, проезжающим по внутренней дуге. Когда ось не является ведущей, а колеса не зависят одно от другого, то никакой проблемы нет.

Иное дело — ведущий мост. Для осуществления нормального управления вращение передается на оба колеса. При их жесткой связи они имели бы одинаковую угловую скорость и в повороте стремились бы проехать одинаковое расстояние. Поворот был бы затруднен и приводил бы к пробуксовке, повышенному стиранию шин и излишней нагрузке на трансмиссию. Часть мощности двигателя уходила бы на пробуксовку, а значит и топливо расходовалось бы понапрасну. Нечто подобное, хотя и не столь очевидно, происходит и в других ситуациях — при езде по неровной дороге, неравномерной нагрузке на колеса, неодинаковом давлении в шинах, различной степени износа покрышек.

Вот тут и приходит на помощь дифференциал. Он передает вращение на обе полуоси, но соотношение угловых скоростей вращения колес может быть произвольным и меняться оперативно в зависимости от конкретной ситуации без вмешательства водителя.

Виды дифференциалов

Дифференциалы бывают симметричными и несимметричными. Симметричные передают на оба ведомых вала одинаковый вращающий момент, при использовании несимметричных устройств передаваемые моменты различны.

Функционально дифференциалы могут применяться в качестве межколесных и межосевых. Межколесный передает вращающий момент колесам одной оси. В переднеприводном авто он размещен в КПП, в заднеприводном — в картере заднего моста.

В полноприводной машине механизмы находятся в картерах обоих мостов. Если полный привод является постоянным, в раздаточной коробке монтируется еще и межосевой дифференциал. Он передает вращение от коробки передач на оба ведущих моста.

Межколесный дифференциал всегда симметричный, а вот межосевой обычно бывает несимметричным, типовое процентное соотношение моментов между передней и задней осью — 40/60, хотя может быть и иным. 

Возможность и способ блокировки определяет еще одну классификацию дифференциалов:

• свободные (без блокировки);

• с ручной блокировкой;

• с автоблокировкой.

Блокировка может быть как полной, так и частичной.

Как функционирует дифференциал и зачем его блокировать

По сути дифференциал — это механизм планетарного типа. В самом простом симметричном межколесном дифференциале четыре конические шестерни — две полуосевые (1) плюс два сателлита (4). Схема работает и с одним сателлитом, но второй добавлен, чтобы сделать устройство более мощным. В грузовиках и внедорожниках ставят две пары сателлитов.



Чашка (корпус) (5) выполняет роль водила для сателлитов. В ней жестко закреплена большая ведомая шестерня (2). Она получает вращающий момент от КПП посредством ведущей шестерни главной передачи (3).

На прямой дороге колеса, а значит, и их полуоси крутятся с одинаковой угловой скоростью. Сателлиты совершают обороты вокруг колесных полуосей, но вокруг собственных осей не вращаются. Таким образом они вращают полуосевые шестерни, придавая им одинаковую угловую скорость.

В повороте у колеса, идущего по внутренней (меньшей) дуге, сопротивление качению больше и потому оно замедляется. Поскольку соответствующая полуосевая шестерня также начинает вращаться медленнее, она заставляет крутиться сателлиты. Их вращение вокруг собственной оси приводит к увеличению оборотов шестерни на полуоси наружного колеса.  



Подобная ситуация может возникнуть и в тех случаях, когда покрышки имеют недостаточное сцепление с дорогой. К примеру, колесо попадает на лед и начинает проскальзывать. Обычный свободный дифференциал станет передавать вращение туда, где сопротивление меньше. В результате проскальзывающее колесо будет вращаться еще быстрее, а противоположное практически остановится. Машина в итоге не сможет продолжить движение. Причем картина принципиально не изменится и в случае полного привода, поскольку межосевой дифференциал также передаст всю мощность туда, где встретит меньшее сопротивление, то есть на мост с проскальзывающим колесом. В итоге даже полноприводный автомобиль может застрять, если забуксует всего одно колесо.

Данное явление серьезно ухудшает проходимость любого автомобиля и совершенно неприемлемо для внедорожников. Исправить ситуацию можно блокированием дифференциала.

Типы блокировок

Полная принудительная блокировка

Добиться полной ручной блокировки можно, заклинив  сателлиты так, чтобы лишить их возможности крутиться вокруг собственной оси. Другой способ — ввести чашку дифференциала в жесткое зацепление с полуосью. Оба колеса станут крутиться с равной угловой скоростью.

Для включения данного режима нужно всего лишь нажать кнопку на приборной панели. В приводном устройстве может быть задействована механика, гидравлика, пневматика либо электромотор. Такая схема годится и для межколесных и для межосевых дифференциалов. Включать ее можно, когда машина стоит на месте, а пользоваться следует лишь на малой скорости при езде по пересеченной местности. Выехав на нормальную дорогу, блокировку обязательно нужно отключить, иначе управляемость заметно ухудшится. Злоупотребление этим режимом может стать причиной поломки полуоси или сопряженных с ней деталей.

Больший интерес представляют самоблокирующиеся дифференциалы. Они не требуют вмешательства водителя и срабатывают автоматически, когда возникает надобность. Поскольку блокировка в таких устройствах неполная, то вероятность повреждения полуосей невелика.

Дисковая (фрикционная) блокировка



Это наиболее простой вариант самоблокирующегося дифференциала. Механизм дополнен набором фрикционных дисков. Они плотно прилегают друг к другу и через один жестко закреплены на одной из полуосей и в чашке.

Вся конструкция крутится как единое целое, пока скорость вращения колес не становится разной. Тогда между дисками появляется трение, ограничивающее рост разности скоростей.

Вискомуфта



Подобный принцип функционирования имеет и вискомуфта (вязкостная муфта). Только здесь диски с нанесенной на них перфорацией размещены в герметичном боксе, все свободное пространство которого заполнено силиконовой жидкостью. Ее отличительная особенность — изменение вязкости при перемешивании. Когда диски крутятся с разной скоростью, жидкость перемешивается, и чем интенсивнее перемешивание, тем более вязкой становится жидкость, доходя почти до твердого состояния. Когда скорость вращения выравнивается, вязкость жидкости быстро падает, и дифференциал разблокируется.  

Вискомуфта имеет довольно большие габариты, потому используется чаще как дополнение к межосевому дифференциалу, а иногда и вместо него, выполняя в этом случае роль псевдодифференциала.

У вискомуфты есть ряд недостатков, которые существенно ограничивают ее применение. Это инерционность, значительный нагрев и плохая совместимость с ABS.

Торсен



Название происходит от Torque Sensing, то есть "воспринимающий вращающий момент". Считается одним из наиболее эффективных самоблокирующихся дифференциалов. В механизме используется червячная передача. В конструкции также есть фрикционные элементы, дополнительно передающие вращающий момент при возникновении пробуксовки.

Имеется три типа данного механизма. При нормальном сцеплении с дорогой разновидности T-1 и T-2 функционируют как дифференциалы симметричного типа.

Когда одно из колес теряет сцепление, Т-1 способен перераспределить крутящий момент в соотношении от 2,5 к 1 до 6 к 1 и даже больше. То есть колесо, имеющее лучшее сцепление с дорогой, будет получать момент больший, чем у проскальзывающего колеса, в указанной пропорции. У разновидности Т-2 этот показатель ниже — от 1,2 к 1 до 3 к 1, зато меньше люфт, вибрации и шум.

Torsen Т-3 изначально разрабатывался как несимметричный дифференциал с показателем блокирования 20...30 %.

QUAIFE



Дифференциал Квайф назван по фамилии английского инженера, разработавшего данное устройство. По конструкции относится к червячному типу, как и Торсен. Отличается от него количеством сателлитов и их размещением. Quaife весьма популярен среди энтузиастов автомобильного тюнинга.