Из этого материала вы узнаете, что такое дифференциал в автомобиле, его назначение и принцип функционирования с фотографиями и примерами. Где в машине расположен этот механизм, какие типы дифференциальных узлов существуют и по каким признакам можно диагностировать неисправность этого узла.
Автомобильный дифференциал: что это такое простыми словами
Дифференциал – механизм на основе планетарной передачи, который распределяет крутящий момент, поступающий из одного источника, между двумя потребителями (колёсами, осями, гусеницами и т.д.). При этом обеспечивается возможность вращения потребителей с одинаковой или различной скоростями в зависимости от дорожной ситуации.
Необходимость разработки такого устройства возникла из-за разницы между длиной пути, который в поворотах проходят внутренние и внешние колёса автомобиля (относительно центра окружности). При одинаковой скорости вращения колёс возникает ряд проблем, среди которых: проскальзывание колёс с меньшим сцеплением, проблемы с управляемостью, повышенная нагрузка на двигатель и другое. Чтобы избежать этих негативных эффектов и был придуман дифференциал, который и согласует скорости движения колёс одной оси во всех дорожных ситуациях и на различных покрытиях.
На схеме выше наглядно видны отличия в длине пути каждого из четырёх колёс заднеприводного автомобиля.
Считается, что дифференциал изобрёл Онисифор Пеккёр в 1828 году. Первое коммерческое применение устройство нашло в паровых повозках.
Назначение дифференциала
Назначение дифференциального механизма — обеспечить возможность вращение колёс одной оси с различной угловой скоростью. В обычных условиях (при движении по прямой и при одинаковом сцеплении колёс с поверхностью) крутящий момент распределяется поровну (50% на 50%) между колёсами одной оси. Когда условия движения меняются (в поворотах, появлении разницы сцепления колёс с поверхностью, в том числе пробуксовках) – дифференциал включается в работу и способен передавать до 100% мощности на любое из ведущих колёс.
Дифференциал BMW
Задачи дифференциала:
Дифференциал улучшает управляемость автомобиля, снижает нагрузку на трансмиссию и двигатель, снижает расход топлива – всё благодаря разрыву жёсткой кинематической связи между колёсами (поэтому его еще называют межколёсным). Дифференциал применяется в конструкции ведущих осей всех без исключения грузовых и легковых автомобилей (в том числе внедорожного, спортивного и гоночного типа).
Конструкция дифференциального узла
Устройство дифференциального механизма может отличаться в зависимости от типа, но принципиальная схема от этого не меняется. В основе любого дифференциала лежит планетарная передача – это единственное механическое устройство, позволяющие решить стоящие перед дифференциалом задачи.
Устройство дифференциала
Любой дифференциальный узел состоит из следующих элементов:
Межосевой дифференциал Audi
Принцип работы дифференциала
Крутящий момент от мотора передается через коробку переключения передач и ведущую шестерню главной пары к установленной на корпусе дифференциального механизма ведомой шестерне. При этом полуосевые шестерни и сателлиты находятся в постоянном зацеплении. Когда колесные диски начинают крутиться с различной скоростью, сателлиты и полуосевые шестерни приходят в движение, осуществляя передачу крутящего момента через приводные валы колесам.
На словах сложно объяснить и понять принцип функционирования данного узла, поэтому предлагаем ознакомиться с обучающим видео, которое демонстрирует не только работу дифференциала, но и краткую историю его развития:
Стоит уточнить, что дифференциальный механизм не влияет на крутящий момент, он лишь перераспределяет мощность между левым и правым колесом. На том из них, которое вращается быстрее, мощность всегда больше.
Функционал дифференциала отличается в зависимости от дорожной ситуации. Рассмотрим их все.
При движении в прямом направлении
Когда автомобиль едет прямо по однотипной поверхности, вращения сателлитов относительно собственной оси не происходит, нагрузка между полуосями распределена равномерно, вращение колесных дисков происходит с одинаковой скоростью.
При входе в поворот или разворот
Когда машина поворачивает или разворачивается, необходимо обеспечить равномерное движение колёс с различной скоростью. В этом случае распределение крутящего момента осуществляется так:
Принцип действия дифференциала в этой ситуации следующий: когда внутреннее колесо двигается медленнее внешнего – сателлиты дифференциала приходят в движение. Через коническую передачу усилие от внутреннего колеса передается на внешнее, что вызывает увеличение скорости вращения последнего.
Схема работы активного дифференциала Audi quattro
При езде по бездорожью или по скользкому дорожному полотну
В этом случае колеса могут иметь разную скорость вращения относительно друг друга, даже если транспортное средство двигается в прямом направлении. Из-за того, что сцепление шины буксующего колеса с дорожным полотном снижается, второе колесо воспринимает больше крутящего момента, из-за чего вращается быстрее. Дифференциальный механизм в этой ситуации функционирует так же, как и при повороте.
Классификация автомобильных дифференциалов
Существуют различные виды дифференциальных механизмов – они классифицируются по месту установки, конструкции и соотношению вращающих моментов на ведомых валах. Ниже рассмотрим данную классификацию более подробно.
По функционалу
В автотранспорте с моноприводом применяется один дифференциальный механизм — межколёсный. Место его установки зависит от типа привода. В автомобилях с полным приводом также может применяться межосевой дифференциал для распределения крутящего момента между осями. По назначению дифференциалы делят на межколёсные и межосевые.
Межколёсный
Данный дифференциальный механизм устанавливается между колесами, от чего и получил свое название. Главное назначение – распределение крутящего момента между полуосями привода ведущей оси. Обычно когда речь идет о дифференциалах, подразумевается именно межколёсный дифференциал как наиболее распространённый.
Межосевой
Данный механизм расположен между мостами полноприводной автомашины. Он делит передающийся от кардана крутящий момента на два потока, которые независимо подаются на редукторы ведущих осей. Это более редкий по сравнению с межосевым вид дифференциала. В основном применяется в тяжёлой технике с двумя и более ведущими мостами.
По расположению
Число дифференциалов в автомобиле и место их установки зависят от характеристик машины. Дифференциальный механизм может располагаться внутри коробки переключения передач, в составе раздаточной коробки, а также в мостах автомобилей (межколёсный) или между ними (межосевой).
В коробке передач (для переднеприводных моделей)
В автотранспорте с передним приводом межколесный дифференциальный механизм размещен в КПП вместе с главной передачей.
Картер заднего моста (для заднеприводных моделей)
В автомашинах с задним приводом данный механизм устанавливается в заднем редукторе. К нему подсоединен кардан от КПП. Назначение дифференциального механизма — распределение крутящего момента по полуосям заднего моста.
В картерах переднего и заднего мостов (для полноприводных моделей)
В автомашинах 4×4 для привода ведущих колес дифференциальный механизм устанавливают в картере переднего и заднего моста.
В раздаточной коробке (для полноприводных моделей)
На внедорожниках дифференциальный механизм устанавливают в раздаточной коробке между двумя ведущими осями. Основное назначение раздаточной коробки — распределять крутящий момент между ведущими мостами. Кроме того, этот узел способен усиливать крутящий момент, что весьма актуально при движении по бездорожью.
Нужно отметить, что в некоторых моделях отдельная раздаточная коробка не предусмотрена. Тогда межосевой дифференциальный механизм устанавливается в корпусе трансмиссии. В автомашинах с жестко соединенной осью данный механизм отсутствует. Функция распределения крутящего момента возложена на муфту полного привода.
По конструкции
Механизмы дифференциалов различаются по конструкции в зависимости от вида передачи. Может использоваться червячная, коническая или цилиндрическая передача. Червячный механизм используется в транспорте с различными типами привода, поэтому его можно назвать универсальным.
Червячный дифференциальный механизм
Червячная передача может использоваться как в межколесном, так и в межосевом дифференциале. Такой дифференциальный механизм имеет симметричный дизайн. Разрывы полуосей имеют равное число зубьев, распределение усилия между колесами осуществляется в одинаковых долях.
Цилиндрический дифференциальный механизм
Цилиндрический дифференциальный механизм, или планетарный редуктор – применяется для реализации неравномерного распределения усилия между передней и задней осями (обычно в пропорции 60% на 40%). Устанавливается в качестве межосевого распределителя на полноприводном автотранспорте. Чтобы обеспечить распределение крутящего момента в нужной пропорции, цилиндрический дифференциал использует различное число зубьев в шестернях приводов разных осей.
Конический дифференциальный механизм
Конический дифференциал применяется в качестве межколесного дифференциала. Является самым распространённым видом дифференциальных механизмов. Своё название получил благодаря использованию в составе узла конических зубчатых колёс. Из-за широкого распространения конический дифференциальный механизм обычно просто называют “дифференциалом”.
Блокировка дифференциалов и её виды
Если автомобиль движется по скользкой дороге или бездорожью, срабатывание дифференциала может привести к полной остановке автомобиля (проблема буксующего колеса). Дифференциал будет стараться передать момент на буксующее колесо, но даже передача 100% крутящего момента может не помочь сдвинуться автомобилю с места. Чтоб избежать этой проблемы и обеспечить возможность движения автомобиля в сложных условиях конструкторы придумали блокировку дифференциала. Способы реализации этого механизма разные.
Ручная блокировка дифференциала
Механизм с ручным управлением — это самый простой способ блокировки дифференциала. Эта опция обычно используется на транспортных средствах, предназначенных для езды по бездорожью. Ручная блокировка обеспечивает возможность управления автотранспортом в любых условиях. Для блокировки дифференциального механизма используется муфта, которая фиксирует положение сателлитов. Активация замка осуществляется с помощью кнопки или рычага, находящегося в салоне авто.
Преимущества дифференциального узла с ручной блокировкой: простота и надежность конструкции. Недостатком является то, что водитель должен обладать определенными навыками управления блокировкой. Для того чтобы эффективно использовать этот механизм, необходимо правильно оценивать ситуацию на дороге. При езде по ровному дорожному полотну механизм блокировки должен быть отключен. Его постоянное использование приводит к неисправности главной передачи и ведущего моста.
Электронное управление блокировкой
В некоторых полноприводных транспортных средствах используется блокировка дифференциального механизма с электронным управлением.
Система контроля тяги отслеживает параметры дорожного полотна и передает информацию на ЭБУ. Когда в блок управления поступает информация о том, что одно колесо буксует, ЭБУ передает сигнал переключающему клапану и клапану высокого давления в гидроблоке системы ABS. В результате работы данных клапанов тормозные колодки начинают воздействовать на проскальзывающее колесо, которое замедляется и перестает проскальзывать.
Этот механизм применяется в автомобилях, оснащенных раздельной системой автоматического привода на все четыре колеса. Противоскользящая система регулирует распределение крутящего момента с высокой степенью точности. Расчёт параметров производится за счёт показаний датчиков частоты вращения колес.
Блокировка дифференциального механизма с фрикционной муфтой
Фрикционный самоблокирующийся дифференциальный механизм ставят на спортивные автомобили, выпущенные небольшим тиражом. Такие механизмы редко устанавливаются на серийные транспортные средства из-за их быстрого износа и сложного технического обслуживания.
Муфта располагается между дифференциальным узлом и полуосевыми шестернями. Когда машина едет по прямой, и колеса вращаются с одной и той же скоростью, крутящий момент распределяется 50% на 50%. В таком случае трение между дисками не возникает. Если в скорости вращения колес присутствует разница, диски муфты прижимаются друг к другу, возникает сила трения. Это приводит к замедлению вращения свободной полуоси.
Такая система демонстрирует отличную эффективность при небольшой разнице в скоростях вращения колес. При незначительном радиусе поворота система может оказаться неэффективной.
Дифференциальный узел с вискомуфтой
Вискомуфта имеет схожий принцип действия с фрикционным механизмом, но обладает более простой конструкцией. Вискомуфта состоит из двух комплектов перфорированных дисков, вращение которых происходит в вязкой силиконовой среде. Муфта установлена в корпусе главной передачи ведущего моста.
Скорость вращения дисков напрямую зависит от угловой скорости колеса. При равномерном движении она одинакова с двух сторон. Как только вращение одного из пакетов дисков становится более интенсивным, вискомуфта стремится замедлить его, тем самым выравнивая скорости вращения колес. Вискомуфта имеет простую надежную конструкцию. Иногда ее соединяют с конической главной передачей и заменяют зубчатый дифференциал.
Этот способ блокировки дифференциала применяется в основном для легковых авто с повышенной проходимостью. В условиях серьезного бездорожья блокировка такого типа может оказаться недостаточно эффективной.
Блокировка дифференциала сваркой
Некоторые автовладельцы прибегают к варварскому методу блокировки дифференциального механизма путем его заварки. Особенно часто это делают владельцы ВАЗов, стремясь сделать из своих автомобилей резвые «дрифт-кары». У этого метода блокировки дифференциала есть существенные недостатки:
Иные способы блокировки дифференциала
В дополнение к опциям, описанным выше, могут использоваться иные технологии блокировки дифференциального механизма. Например, самоблокирующийся кулачок и дифференциал передач используются в военных автомобилях и тяжелой спецтехнике.
Другой вариант: самоблокирующийся дифференциал с геротором. В таких конструкциях используется фрикционная муфта, оснащенная гидравлическим приводом. Разница в угловой скорости приводит к замедлению одной из полуосей. Это происходит из-за действия поршня, который сжимает дисковый пакет. Поршень движется под действием гидравлического насоса. В некоторых моделях автомобилей существует вариант с двумя гидравлическими насосами.
Самоблокирующиеся задние дифференциалы устанавливают на автомобилях, предназначенные для езды в сложных условиях, а также на спортивные модели. Такие устройства устанавливаются как в качестве межколесных, так и в качестве межосевых передач. В этих узлах эффект подавления передачи используется при достижении порогового значения разности угловых скоростей.
Посмотрите это видео, в котором наглядно показано, как положительно влияет на проходимость блокировка дифференциального механизма на переднем приводе:
Как мы можем видеть из видеоролика, в результате серии заездов по заснеженной дороге автомобиль с блокировкой дифференциального механизма продемонстрировал лучшие результаты по сравнению со стоковой моделью.
Минусы дифференциального механизма
Дифференциал способен передавать до 100% мощности на одно из колес. Это свойство в различных условиях может быть как преимуществом, так и недостатком.
Например, при прохождении поворотов работа дифференциала позволяет избежать пробуксовки. Но если одно из колес теряет сцепление с дорогой, вся мощность передается именно на него. В такой ситуации наблюдается пробуксовка этого колеса. При этом второе колесо не вращается. Это приводит к полной остановке машины.
Буксующее колесо
Чтобы устранить несовершенство конструкции, были разработаны дифференциалы с повышенным внутренним сопротивлением. Такие устройства способны не только перераспределять усилие между колесами, но и блокировать дифференциал, обеспечивая одинаковую скорость вращения колес, когда это необходимо.
Признаки неисправности дифференциала
Во время эксплуатации автомобиля могут возникать различные неисправности дифференциала. Вы можете определить поломку по следующим признакам:
Разрушенный дифференциальный механизм
Простейшую диагностику можно провести самостоятельно в обычном гараже. Чтобы сделать это, выполните следующие действия:
Если при вращении колес не слышно посторонних шумов и стуков, значит дифференциал работает правильно. Если колесо свободно прокручивается только в одном направлении, а при противоположном вращении раздается стук или шум, то это указывает на неисправность дифференциала. В этом случае вам необходимо обратиться в сервисный центр для проведения подробной диагностики и замены изношенных деталей.
Читайте также в нашем журнале:
