Что такое автомобильный дифференциал: устройство, назначение и виды

Устройство и принцип работы

С технической точки зрения дифференциал довольно простой, но при этом способен выдерживать огромные нагрузки. Что внутри этого узла и как он работает?

Типовое дифференциальное устройство

Для своего типа это планетарный редуктор со всеми необходимыми элементами.

1. Главная звездочка раздаточной коробки — обеспечивает вращение от коробки передач к дифференциалу.
2. Ведомая шестерня соединена как с главной передачей, так и с планетарными шестернями.
3. Сателлиты закреплены в «чашке» ведомой шестерни, так что они вращаются вместе с ней.
4. Приводные валы соединены со сателлитами и не контактируют с остальными элементами дифференциала.

Подробно показано на видео ниже.

https://youtube.com/watch?v=3mz1BpIE-Ec

1. Из коробки передач выступает вал главной шестерни, от которого вращение передается на ведомую шестерню.
2. Ведомая шестерня и прикрепленная к ней «чашка» (держатель) получают крутящий момент.
3. Во время вращения ведомая шестерня и чашка приводят в движение планетарные шестерни.
4. Сателлиты, в свою очередь, передают вращение на полуось.
5. При равной нагрузке на карданные валы (при движении автомобиля по прямой дороге с ровным покрытием) сателлиты не вращаются. Работает только ведомая шестерня, в чашке которой закреплены сателлиты, и они вместе с ней описывают свои обороты, при этом не вращаясь вокруг собственной оси. Следовательно, крутящий момент распределяется на приводном валу равномерно, 50:50.
6. Когда машина вращается и одно из колес должно замедлить ход, а другое — ускориться, спутники начинают движение. За счет конической шестерни при вращении они замедляют один приводной вал и ускоряют второй. Другими словами, крутящий момент перераспределяется в необходимой пропорции, до 0: 100, без потери усилия.
7. Когда колесо пробуксовывает, срабатывает блокирующий механизм, без которого весь момент вращения передавался бы на более быстрое вращение колеса. В общем, автомобиль останавливается, когда хотя бы одно колесо ударяется о скользкую поверхность.

При прямолинейном движении

Когда автомобиль движется по прямой на гладкой, твердой и сухой поверхности, оба приводных вала вращаются с одинаковой угловой скоростью. Шестерни ведущего вала покоятся друг относительно друга, весь дифференциал очень похож на монолитную конструкцию.

Сателлиты, соединенные зубьями с обеими полуосевыми шестернями, не вращаются вокруг своих осей. Момент распределяется между осями поровну, если дифференциал симметричный и свободный, то есть не имеет блокировок. Однако в таком идеальном случае с замками будет то же самое.

При повороте

При прохождении поворотов, а это обычный режим работы дифференциала, так как в природе не бывает идеальных прямых линий, одно из колес будет вращаться все быстрее и быстрее. Сателлиты будут перемещаться относительно своих осей, но связь между боковыми шестернями и корпусом не будет потеряна. То есть момент будет и дальше передаваться от кузова к колесам и все в том же соотношении 50/50.

Это очень интересно рассмотреть с точки зрения мощности. Момент тот же, но скорость внешнего колеса от вращения больше, то есть мощность передается на него пропорционально большей.

И это неудивительно, ведь чем выше скорость, тем больше потери, которые компенсируются прибавкой мощности. В этом случае не будет создано ни малейшего препятствия вращению колес с разной скоростью, в отличие от жесткого соединения.

При пробуксовке

Гораздо менее приятно, если одно из колес налетело на относительно скользкий участок дороги и поскользнулось при разгоне. Нет сцепления с дорогой, а значит, момент сопротивления дорожного покрытия резко падает. Но этот момент всегда совпадает с моментом тяги, это закон физики. Это означает, что тяговый момент также уменьшится.

Свободный симметричный дифференциал делит тягу между колесами пополам. Всегда 50/50. То есть, когда момент падает с единицы до нуля, каждую секунду он сбрасывается автоматически. Автомобиль начнет терять скорость, и если мы говорим о трогании с места по льду или жидкой грязи, то он просто останется там, не в силах покинуть засаду.

Это главный недостаток свободного дифференциала. Он может передать только то усилие, которое способно переварить колесо в самых тяжелых условиях. Даже если второй будет на сухом и чистом асфальте, машина никуда не поедет. Вся энергия будет потрачена на быстрое и ненужное вращение колеса конька.

Назначение

Применение дифференциалов в трансмиссиях автомобилей обусловлено необходимостью обеспечить вращение ведущих колёс одной оси с разной частотой. В первую очередь это необходимо в поворотах, но также и при разном диаметре ведущих колёс, что возможно при вынужденной установке шин двух разных типоразмеров или при разности давления в шинах. В случае, если оба колеса имеют жёсткую кинематическую связь, любое рассогласование частот вращения по вышеупомянутым причинам приводит к возникновению так называемой паразитной циркуляции мощности. Это безусловно вредное явление вызывает проскальзывание колеса с меньшей силой сцепления относительно поверхности дороги, дестабилизирует движение автомобиля по дуге, нагружает трансмиссию и двигатель, повышает расход топлива и проявляется тем сильнее, чем меньше радиус поворота и выше силы сцепления, действующие на колёса. Дифференциал, установленный в разрез валов привода колёс одной оси, позволяет разорвать жёсткую кинематическую связь между колёсами и устранить паразитную циркуляцию мощности, не потеряв при этом возможностей по передаче мощности на каждое колесо с КПД близким к 100%. Подобный дифференциал называется «межколёсным», а данная область применения является основной для дифференциалов вообще, так как межколёсный дифференциал присутствует в приводе ведущих колёс всех легковых, грузовых и абсолютно подавляющей части внедорожных, спортивных и гоночных автомобилей.

Помимо привода ведущих колёс автомобиля дифференциалы также применяются:

• В приводе двух и более постоянно ведущих осей от одного двигателя (так называемый «межосевой» дифференциал).
• В приводе соосных воздушных и водных винтов противоположного вращения (в качестве дифференциала и редуктора одновременно).
• В дифференциальных механизмах поворота гусеничных машин (в связке из одного-двух-трёх дифференциалов с разными принципами совместной работы).
• При сложении передаваемой вращением мощности от двух двигателей с произвольными частотами вращения на один общий вал.

При повороте автомобиля, все его колеса проходят разный по длине путь, и если между двумя ведущими колесами существует жесткая связь, они начнут проскальзывать. Скольжение колес при повороте приводит к повышенному расходу топлива, износу шин, нарушению устойчивости и т. п.

Дифференциал позволяет ведомым валам вращаться с разными угловыми скоростями и выполняет функции распределения подводимого к нему крутящего момента между колесами или ведущими мостами. Дифференциалы бывают межколесными и межосевыми (в случае установки между несколькими ведущими мостами).

Впервые дифференциал был применен в 1897г. на паровом автомобиле. В настоящее время все автомобили имеют межколесные дифференциалы на ведущих мостах. Наиболее распространенным является конический симметричный дифференциал, включающий в себя: корпус, сателлиты, ось сателлитов (или крестовину) и полуосевые шестерни. Обычно число сателлитов в дифференциалах легковых автомобилей — два, грузовых и внедорожных — четыре.

Симметричный дифференциал получил свое название за способность распределять подводимый момент поровну при любом соотношении угловых скоростей, соединенных с ним валов. Применение такого дифференциала в качестве межколесного, обеспечивает устойчивость при прямолинейном движении, а также при торможении двигателем на скользкой дороге.

Существенным недостатком обычного дифференциала является снижение проходимости автомобиля, если одно из его колес попадает в условия малого сцепления с опорной поверхностью. При этом на колесо, находящееся в нормальных сцепных условиях, нельзя подвести крутящий момент, превышающий тот, который может быть реализован на колесе, находящемся в условиях малого сцепления (это приводит к пробуксовке колеса). Для преодоления этого недостатка в некоторых конструкциях используются Дифференциалы полноприводных автомобилей различных конструкций.

1) с электронной блокировкой;

2) с дисковым дифференциалом;

3) с вязкостной муфтой.

Управление системой осуществляется как механически водителем, так и с помощью специальных блоков управления, которые учитывают угловые скорости колес и разность крутящего момента на переднем и заднем приводе. Полностью автоматические системы позволяют экономить топливо, обеспечивают улучшение проходимости автомобиля, облегчая его управление на высокой скорости и лучше реализуют мощность мотора.

Сегодня подобные системы самоблокирующихся дифференциалов зарекомендовали себя с наилучшей стороны, они отличаются прочностью, надежностью и долговечностью, не требуя в процессе эксплуатации какого-либо сложного обслуживания и ремонта.

Типичные поломки редукторов

Первыми выходят из строя сальники. Их изготавливают из маслостойкой резины. Со временем деталь начинает трескаться, распадаться на отдельные фрагменты. В результате трансмиссионная жидкость выходит наружу. Начинается масляное голодание. Увеличивается сила трения качения в подшипниках. Если ничего не делать, шарниры рассыпятся, из них выпадут шарики или ролики, треснет обойма. Начало деградации подшипника можно косвенно диагностировать по гулу, идущему со стороны моста во время движения.

Сломанные зубья на редукторной передаче

От недостатка смазки страдают шестерни. Редуктор нагревается, на шестернях появляются следы коррозии. Зубья постепенно стачиваются и ломаются. В результате площадь сцепления уменьшается, передаточное число перестает соответствовать норме. Старые сальники нужно заменить, как и шестерни, валы и подшипники.

Порой поломки происходят из-за механических повреждений. Достаточно удариться мостом о бетонный бордюр, чтобы в корпусе образовалась трещина или пробоина. Иногда от нагрузки вырывает крепления. Первым делом вытекает трансмиссионная жидкость, потом ржавеют подшипники, шестерни. Чтобы не допустить дальнейшей деградации, корпус редуктора восстанавливают с помощью сварки. При серьезных повреждениях придется менять мост целиком.

Технические характеристики

Чтобы оценить возможности редуктора, можно ознакомиться с его техническими характеристиками. Есть пять параметров, напрямую влияющих на работу механизма:

• ориентация валов;
• количество ступеней;
• передаточное отношение;
• передаточное число;
• крутящий момент.

Передаточное отношение — это отношение угловых скоростей вращения первичного и выходного валов. Передаточное число несколько иная характеристика. Если на одной шестерне 15 зубов, а на второй 35, то цифра будет такой:

35 / 15 = 2,3.

Количество ступеней характерно для механических КПП. Бывают пятиступки и шестиступки. В мостах всего одна ступень. Ориентация валов зависит от конструкции, она бывает вертикальной или горизонтальной.

Блокировка дифференциала

Блокировка дифферециала с гидроприводом включения

Но у автомобильного дифференциала есть существенный недостаток, который проявляется в случае, когда сопротивление вращению на одном из колес полностью пропадает (к примеру, оно попало на скользкий участок дороги). В результате особенностей работы, у колеса, потерявшего сопротивление дороги, максимально возрастает угловая скорость. То есть, по сути, все вращение передается только на него, в то время как второе колесо из-за сопротивления останавливается.

В результате автомобиль обездвиживается, поскольку из-за низкого сопротивления на одном колесе падает и крутящий момент на нем. А поскольку дифференциал работает симметрично, то на втором колесе момент тоже очень мал, и его явно недостаточно, чтобы заставить его вращаться. Чтобы решить такую проблему, достаточно лишь замедлить вращение буксующего колеса, тем самым повысив крутящий момент на нем, и соответственно, на втором колесе. И для этого применяются блокировки дифференциала.

Видео: GБлокировки дифференциала для УАЗа, разновидность и принцип работы

Все просто – если обеспечить жесткое соединение одной полуоси с чашкой дифференциала, то она просто не сможет вращаться быстрее, чем шестерня редуктора. Из-за этого не будет происходить перераспределение вращения, крутящий момент на обеих полуосях будет одинаковым, и его хватит, чтобы обеспечить вращение и колеса, на котором имеется сопротивление, то есть автомобиль сможет двигаться даже в случае потери сопротивления на одном из колес.

Блокировки дифференциала различаются по степени блокирования и бывают они с:

1. Полной.
2. Частичной блокировкой.

Полная описана выше и указывает она на то, что происходит жесткое соединение элементов дифференциала машины, по сути, он просто прекращает выполнять свои функции и крутящий момент подается равно на обе полуоси.

В частичной же блокировке передача усилия между составными элементами узла ограничена определенной величиной, что обеспечивает повышение крутящего момента на колесе, получающем повышенное сопротивление.

Виды и их особенности дифференциалов

Видео: GPS Навигатор — описание и тест

Видов дифференциалов по месту установки – два:

1. Межколесный.
2. Межосевой.

Дифференциал заднеприводного автомобиля

Первый используется на всех легковых авто с одной ведущей осью, и в его задачу входит только выполнение своей функции. На заднеприводных авто он располагается в заднем мосту и устанавливается на редуктор. То есть редуктор передает вращение на полуоси не напрямую, а через дифференциал.

Дифференциал переднеприводного авто с приводным валом

Что касается переднеприводных авто, то из-за отсутствия карданной передачи и моста с редуктором, вращение от коробки передач передается напрямую на дифференциал (они размещены в одном корпусе), а от него уже оно поступает на приводные валы.

Межосевой дифференциал используется на полноприводных авто, у которых обе оси являются ведущими. Там он нужен для того, чтобы правильно распределять получаемое вращение по осям при движении по неровностям.  К примеру, авто движется на подъем, в результате чего задняя ось находится в низком положении относительно передней. В результате происходит перераспределение массы авто, она начинает больше давить на задок, и установленный узел в этом случае повышает крутящий момент на задних ведущих колесах. И все выполняется с точностью до наоборот на спусках.

При этом на полноприводных авто также требуется распределение вращения и на колесах, поэтому у них в общей сложности используется 3 дифференциала (1 – межосевой и 2 – межколесных).

Возможные неисправности и как их устранить

О том, что дифференциал неисправен, могут свидетельствовать следующие признаки:

• шум во время работы устройства;
• удары во время передвижения транспортного средсва;
• стук во время езды;
• протекание смазки.

К наиболее распространенным неисправностям устройства можно отнести следующие.

• Заклинивание моста. Вызывается смещением оси сателлитов. Неисправность проявляется в полной неспособности задних колес вращаться или неравномерном вращении. Проблема решается разборкой дифференциального механизма и установкой сателлитов на место.
• Протечка масла. Если в дифференциал попадают излишки масла, это приводит к повышенным нагрузкам на его конструктивные элементы. В результате происходит их повышенный износ. Решается проблема устранение протечки.
• Повреждение подшипника. Может быть вызвано износом. Решается полной заменой подшипника.
• Износ зубцов шестерен. Происходит естественным образом из-за повышенных нагрузок. Тоже решается путем замены изношенной детали.

В некоторых случаях элементы с признаками износа менять не обязательно. Это касается в первую очередь шлицев, опорных шайб, сателлитов. Иногда бывает достаточно подшлифовать их наждачной бумагой. Однако такие действия возможны только при малой степени износа. Если он значительный, все-таки требуется полная замена.

Разновидности автомобильных дифференциалов

Помимо конических, прямозубых и червячных передач, существуют и успешно используются следующие типы дифференциалов: дифференциал с полной блокировкой, дифференциал Торсена, дифференциал Quife, вязкостная муфта.

Дифференциал с полной блокировкой

Дифференциалы этого типа чаще всего используются на грузовиках и внедорожниках. Их запирание активируется и деактивируется непосредственно из салона с помощью специального ключа водителем. Они используются для повышения проходимости автомобилей по бездорожью.

Межосевой дифференциал с блокировкой типа Torsen

Конструкция рабочего узла данной системы состоит из следующих узлов:

1. рамка;
2. шестерня правого приводного вала;
3. левый бортовой редуктор;
4. сателлиты правого и левого полуоси;
5. выходные валы.

Стоит отметить, что дифференциал Torsen имеет самую продвинутую конструкцию.

Принцип действия:

Межосевой дифференциал Torsen состоит из ведомых и ведомых червячных колес, иначе называемых ведущими валами и сателлитами. В такой системе блокировка возникает из-за особенностей работы шестерен данного типа. В штатном состоянии им присваивается определенное передаточное число. Если колеса имеют хорошее сцепление с дорогой и работают плавно, дифференциал будет работать так же, как и симметричный. Но как только происходит резкое увеличение крутящего момента, спутник пытается начать движение в обратном направлении. Червяк приводного вала перегружен, а выходные валы заедают. В этом случае избыточный крутящий момент двигателя передается на другую ось. Максимальная степень перераспределения крутящего момента у дифференциалов Torsen колеблется от 75 до 25.

Самая известная версия этой системы — Audi Quattro Torsen. Это один из самых популярных механизмов в современных конструкциях полноприводных автомобилей. Его неоспоримые преимущества — широкий диапазон передачи крутящего момента, мгновенная скорость отклика и отсутствие негативного воздействия на тормозную систему. Но к недостаткам можно отнести сложность конструкции со всеми вытекающими отсюда последствиями.

Преимущества дифференциалов этой конструкции

У этой конструкции много преимуществ. Этот механизм установлен благодаря тому, что точность его работы чрезвычайно высока, при этом устройство работает очень плавно и бесшумно. Мощность автоматически распределяется между колесами и осями — вмешательство водителя не требуется. Перераспределение крутящего момента не влияет на торможение. Если дифференциал эксплуатируется правильно, в ремонте его нет — водителю нужно лишь периодически проверять и менять масло.

Именно поэтому многие водители ставят на Ниву дифференциал Torsen. Также присутствует система постоянного полного привода и отсутствует электроника, поэтому любители экстрима часто меняют штатный дифференциал на этот агрегат.

Недостатки

Есть и минусы. Это высокая цена, потому что конструкция внутри достаточно сложная. Поскольку дифференциал работает по тернистому принципу, это увеличивает расход топлива. При всех достоинствах КПД довольно низкий по сравнению с аналогичными системами другого типа. Механизм имеет высокую склонность к заклиниванию, а износ внутренних элементов довольно интенсивен. Для смазки требуются специальные продукты, так как при работе агрегата выделяется много тепла. Если на одну ось установить разные колеса, детали изнашиваются еще сильнее.

Дифференциалы Квайф

Отличительной особенностью дифференциалов этого типа является то, что содержащиеся в них сателлиты расположены параллельно оси вращения корпуса (чаши) и в два ряда. Кроме того, во время работы этих агрегатов возникают силы трения, которые при необходимости автоматически блокируются, увеличивая проходимость и тяговое усилие автомобиля. Чаще всего дифференциалы Quife используются для тюнинга автомобилей и внедорожников.

Вискомуфта

Работа этого типа дифференциала основана на том же принципе, что и работа гидротрансформатора. Чаще всего вискомуфты используются в автомобилях с полным приводом и используются для обеспечения соединения передних колес с задними по следующему принципу: при пробуксовке одних из них крутящий момент передается другим, как в результате чего проблема проскальзывания решена. Конструктивно вязкая муфта представляет собой цилиндр, в котором находится пакет металлических дисков с отверстиями, погруженных в вязкую жидкость и соединенных с валами (как моторными, так и ведомыми). В зависимости от температуры изменяется вязкость жидкости, что лежит в основе принципа работы данного агрегата.

Как устанавливается преднатяг

Регулировка преднатяга осуществляется путем установки пакета специальных пружинных шайб, которые распирают шестеренки внутри блокировки. Полный пакет таких спецшайб, сложенные все вместе составляют толщину 1 см, но все шайбы по толщине разные, чтобы можно было регулировать момент.

Чтобы отрегулировать преднатяг, потребуется:

• динамометрический ключ стрелочный (ключ с щелчками не подходит, его придется долго настраивать);
• самодельная спецдеталь, сделанная из простой внутренней гранаты (обрезан и к нему приварен болт) — смотрите ниже на видео;
• комплект пружинных шайб (колечки);

Порядок регулировки преднатяга:

1. Разобрать дифференциал блокировки (запоминаем последовательность). После снятия крышки вытаскиваем шнековую шестеренку полуоси; за ней идет узкая шестеренка с большим внутренним отверстием, но который имеет бортик; затем идут те самые регулировочные пружинные шайбы. Можно вытащить шнековые сателлиты (сами преднатяги), чтобы проверить какой у них износ.
2. Установить новые шайбы.
3. Собрать.
4. Динамометрическим ключом и специальной самодельной деталью определяем момент затяжки. Когда ключ начинает проворачивать — в этот момент стрелка показывает момент натяга.

В этом видео рассмотрен вариант регулировки шайбами блокировки авто ВАЗ 2108.

Преднатяг до 5 кг не сплющивает до плоского состояния шайбы, такой момент натяжки считается ресурсным. Блокировка с натягом до 5 кг поможет сильно не терять своих характеристик около 4 лет. Любая блокировка с натягом в первые пару месяцев теряет около 1 кг натяга.

Специалисты рекомендуют делать для переднего дифференциала с самоблокировкой преднатяг не больше 5 кг, а для заднего дифференциала — не больше 7 кг. При максимальной величине, например, в 9 кг, все пружинные шайбы будут уже прижаты и эффект пружин будет потерян.

Дифференциал Торсена

Червячный дифференциал Торсена — это конструкция, которая отличается чувствительностью к показателям крутящего момента. По сути, это планетарный редуктор, внутри которого располагаются многочисленным ведомые и ведущие червячные шестерни. Отличительной особенностью такой конструкции является свойство червяных шестерён вращать другие валы, при этом оставаясь полностью неподвижными.

Такие конструкции получились надежными, долговечными, функциональными и способными выдерживать существенные нагрузки в процессе эксплуатации автомобиля. Сегодня эти системы устанавливаются на полноприводные седаны и универсалы, лёгкие кроссоверы и тяжёлые внедорожники. Рассматривать дифференциал Торсена как полноценную блокировку дифференциала всё же не следует, однако такая система существенно улучшает управляемость, позволяя эффективно перебрасывать крутящий момент между осями и отдельными колёсами на автомобиле.

Червячный блокиратор

Дифференциал с червячным блокиратором

В конструктивной схеме дифференциала с данным типом блокировки используется планетарная передача шестеренок и сателлитов на перекрещенных осях. Пары соединяются на оси по принципу червячной передачи. Ярким типом такого агрегата остается технология компании Torsen NA Inc дифференциал Торсен. Основная функция узла такая, как и у любого другого — распределение мощности между мостами или по осям колес. Агрегат относится к классу дифференциалов, реагирующих на момент.

Технология позволяет автоматически заблокировать необходимый сателлит (или серию сателлитов) при сравнительно небольшом различии момента. В конструкции «Торсен 1» используются ведомая полуосевая червячная шестеренка, ведущий червячный сателлит. В основе лежит принцип: движущаяся червячная шестерня может поворачивать червячный сателлит, вращение же наоборот невозможно.

https://youtube.com/watch?v=SsFHRhOzInU

Червячные пары устанавливаются в корпус дифференциала. Мощность распространяется на сателлиты, которые соединяются с прямозубыми шестернями. При езде прямо шестерни-сателлиты толкают, не крутят червячные шестерни, момент и мощность передаются на ведущие колеса пропорционально. При повороте, например, направо червячная шестерня левой полуоси заставит сателлит начать вращение вокруг своей оси. При этом правый сателлит начнет вращение в противоположную сторону, обеспечивая правому колесу меньшую скорость. Зацеп прямозубых шестерен на концах сателлитов обеспечит их равную скорость вращения.

При варианте, когда колеса имеют разное сцепление с дорогой, в дифференциале Torsen произойдет передача избыточной скорости буксующего колеса на червячный сателлит, который через планетарную передачу передает избыточную скорость смежному сателлиту второй полуоси. Поскольку сателлит не может вращать соответствующую полуосевую шестерню, происходит абсолютная блокировка дифференциала. Это позволяет распределить момент и мощность равномерно на две полуоси.

Автор:

Гaличeв Илья Виктoрoвич