Дифференциал
Дифференциал (на английском differential) — это механизм в системе привода автомобиля, который отвечает за вращение колес одной оси с разными скоростями, что необходимо при прохождении поворотов.
Зачем нужен дифференциал
Дифференциал в автомобиле применяется в трех случаях.
Благодаря своей конструкции, он передает крутящий момент двигателя так, что колеса могут крутиться с разной скоростью. Это нужно при входе автомобиля в поворот, ведь “внешнее” колесо движется по более широкой траектории чем “внутреннее”, а соответственно колеса будут двигаться с разной скоростью. Если бы не было такого механизма, то внутреннее колесо буксовало бы.
Вторая функция дифференциала — передача крутящего момента на полуоси под углом 90 градусов. Это необходимо, когда мотор установлен не на одной стороне с ведущей осью (например, мотор спереди, а привод задний).
Третья функция дифференциала — это распределение крутящего момента и работа в системах полного привода и антипробуксовочной системы Traction control system (TCS).
Где находится дифференциал
Дифференциалы находятся под днищем автомобиля, а само расположение отличается в зависимости от конструкции машины.
Конструкция
Конструкционно это отдельная деталь с несколькими шестернями, корпус которой интегрируется в мост.
Устройство дифференциала: 1 — шестерни полуосей; 2 — ведомая шестерня главной передачи; 3 — ведущая шестерня главной передачи; 4 — сателлиты; 5 — корпус.
Как работает дифференциал
Внутри корпуса дифференциала используется принцип планетарной передачи. На корпусе (чашке) дифференциала неподвижно закреплена ведомая шестерня, которая получает крутящий момент от шестерни главной передачи. Внутри корпуса есть оси, на которых установлены шестерни-сателлиты. Они и передают мощность на шестерни полуосей колес.
При прямолинейном движении шестерни-сателлиты не вращаются и передают крутящий момент в равной мере на обе полуоси. Но в повороте, когда внутреннее колесо встречает большее сопротивление и замедляется, его полуось тоже начинает вращаться медленнее. В таком случае сателлиты начинают вращаться и крутящий момент перераспределяется пропорционально на вторую полуось, которая начинает двигаться быстрее. Таким образом колеса вращаются с разной скоростью.
Еще один режим работы дифференциала — пробуксовка одного из колес (например, при движении по обледенелой поверхности). Принцип работы дифференциала такой, что он будет отправлять весь крутящий момент на то колесо, которое вращается легче. Возникает парадоксальная ситуация — вся мощность отправляется на колесо, которое пробуксовывает, а второе колесо почти не вращается. Чтобы выйти из ситуации нужна блокировка дифференциала. Инженеры придумали несколько вариантов как это можно сделать, поэтому появились различные виды дифференциалов.
Виды дифференциалов
Дифференциалы отличают по месту установки, виду зубчатой передачи и по принципу блокировки.
По месту установки
По расположению их делят на межколесные и межосевые. Межколесные устанавливаются в картере моста автомобиля и перераспределяют крутящий момент между полуосями колес. Межосевые устанавливаются в раздаточной коробке и перераспределяют крутящий момент между осями полноприводного автомобиля.
По виду зубчатой передачи
По типу конструкции и виду зубчатой передачи отличают конические, цилиндрические и червячные дифференциалы. Конические более распространены как межколесные дифференциалы, цилиндрические — как межосевые, а червячные более универсальные и используются во всех конструкциях.
По принципу блокировки
Дифференциалы могут блокироваться принудительно или автоматически. С полной принудительной блокировкой используются на внедорожниках и блокируются по команде водителя причем только во время полной остановки автомобиля. Блокирование происходит с помощью кулачковой муфты, которая может иметь разные типы привода (механический, электронный, гидравлический, пневматический).
Дифференциалы с автоматической блокировкой называют еще самоблокирующимися и они могут иметь 4 вида конструкции.
Дисковый самоблокирующийся дифференциал
К обычной конструкции дифференциала добавлены пакеты фрикционных дисков. Одни закреплены на корпусе дифференциала, другие — на полуоси. Когда одна из полуосей начинает вращаться быстрее, это вращение замедляется силой трения между пакетами дисков. Прижимная сила фрикционов может быть как постоянной, так и регулируемой.
Червячный самоблокирующийся дифференциал
Такой тип дифференциалов блокируется благодаря свойству червячных передач заклинивать при достижении сильной разницы крутящих моментов. При этом блокировка всегда будет частичной. За такими дифференциалами закрепились названия компаний, которые их создали и выпускают — Torsen (сокращенно от Torque sensitive — чувствительные к крутящему моменту) и Quaife. Плюсы этой конструкции — в простоте и отсутствии электроники. Минусы — в дороговизне, сложности ремонта и обслуживании.
Электронно блокирующийся дифференциал
Электронная блокировка дифференциала применяется в антипробуксовочных система TCS (Traction Control System). В таком случае колесо, которое слишком быстро вращается, просто замедляется с помощью деталей тормозной системы. В результате часть крутящего момента перераспределяется на колесо с лучшим сцеплением.
Вискомуфта или вязкостная муфта
Такой дифференциал использует свойства жидкости. В конструкции используются дополнительные перфорированные диски, закрепленные на дифференциале и полуосях, но находящиеся в герметичном корпусе с силиконовой жидкостью. Когда полуось начинает вращаться с отличной скоростью, ее диски начинают перемешивать силиконовую жидкость и она становится гуще, блокируя дифференциал. Сейчас такие варианты используются редко, потому что они слишком большие, перегреваются и реагируют с опозданием.
Неисправности дифференциала
Износ внутренних компонентов дифференциала
Проблема в дифференциале может быть только одна — износ металлических компонентов конструкции. В целом ломаться там нечему — это одна из самых надежных конструкций в автомобиле и при должном обслуживании он может отслужить без проблем всю жизнь автомобиля. Все неисправности дифференциала могут возникать только при ненадлежащем обслуживании и эксплуатации автомобиля.
Причины проблем с дифференциалом
Признаки проблем с дифференциалом
О том, что в дифференциале что-то не так говорят следующие факторы:
Четвертый, последний признак — результат игнорирования первых трех. Сначала в дифференциале начинает подтекать масло, потом начинает что-то шуметь и стучать и если не обращать на это внимание, мост может заклинить.
Проверка дифференциала
Есть один метод проверки дифференциала, который поможет определить действительно ли проблема в нем, если у вас есть сомнения. Для этого понадобится помощник и возможность вывесить ось автомобиля, чтобы свободно крутить колеса. При нейтральном положении выбора передач начинайте крутить колесо в одну сторону и попросите помощника держать свое колесо на месте или крутить его в другую сторону от вашего. Если это происходит без шумов и стуков — значит проблема не в дифференциале.
Обслуживание дифференциала
В дифференциале все процедуры обслуживания заключаются лишь в замене трансмиссионного масла внутри узла. Регламент замены зависит исключительно от используемого в вашем автомобиле механизма дифференциала и типа смазочной жидкости. Периодичность замены масла в дифференциале указан в руководстве по эксплуатации автомобиля. Среднее значение — около 50 000 километров, но у некоторых автомобилей это нужно делать существенно чаще.
Подбор и покупка дифференциала
Подпишись на наш канал в Я ндекс.Дзене
Еще больше полезных советов в удобном формате
Что такое дифференциал, для чего он нужен, и как устроен
Дифференциал как автомобильный механизм скоро отметит двухвековой юбилей, однако его конструкция за эти долгие годы хоть и совершенствовалась, но сохранила ключевые особенности. Что же такое дифференциал, и какую роль он выполняет в автомобиле?
Д ифференциал в автомобиле – это механизм, который позволяет передавать мощность и, следовательно, вращение от коробки передач к колесам, разделяя поток этой мощности на два, для каждого из колес одной оси, с возможностью изменять соотношение передаваемой к ним мощности, и, следовательно, позволяя колесам вращаться с разной скоростью. Проще говоря, дифференциал разделяет 100% мощности, передаваемой коробкой передач, на два потока для каждого из колес на одной оси, и эти потоки могут перераспределяться в зависимости от условий движений от 50:50 до 100:0.
Основное предназначение дифференциала – обеспечить возможность вращения колес на одной оси с разной скоростью с сохранением неразрывного потока крутящего момента. Для автомобиля это важно прежде всего в поворотах: ведь при движении по дуге колеса на внешней стороне поворота проходят больший путь, чем колеса на внутренней, а значит, должны вращаться с большей скоростью для сохранения стабильности машины.
Если же колеса на оси будут соединены жестко, то внутреннее колесо в повороте будет пробуксовывать. Для заднеприводного автомобиля это повышает риск заноса, а для переднеприводного радикально ухудшает управляемость и контроль автомобиля в повороте. Таким образом, обеспечение свободного и независимого вращения колес на одной оси с сохранением постоянства передачи на них крутящего момента от двигателя было одной из принципиальных задач с момента создания автомобиля – и это задача была успешно решена.
Дифференциал являет собой частный случай планетарной передачи. Физически он обычно представляет собой набор из четырех шестерней, вращение к которым передается пятой – ведомой шестерней главной передачи, объединенной с корпусом дифференциала, выполняющим роль водила. Главная передача – это набор из двух шестерней: ведущая получает вращение от КПП и передает его ведомой. Ведомая же шестерня главной передачи передает вращение через корпус на шестерни-сателлиты, а они, в свою очередь, находятся в зацеплении с солнечными шестернями, жестко закрепленными на приводных полуосях колес.
Когда автомобиль движется по прямой, шестерни-сателлиты неподвижны, и скорость вращения шестерни главной передачи равна скоростям вращения солнечных шестерней: колеса вращаются с одинаковой скоростью. В повороте же шестерни-сателлиты начинают вращаться, обеспечивая разницу скоростей солнечных шестерней и, следовательно, колес на внешней и внутренней стороне поворота.
Главным недостатком дифференциала одновременно является его главное преимущество – возможность передавать до 100% мощности на одно из колес. Исходя из этого, в условиях, когда одно колесо имеет недостаточное сцепление с поверхностью, основная часть мощности будет передаваться именно на него. Таким образом, порой даже имея одно колесо на поверхности с достаточным сцеплением, автомобиль не может тронуться с места.
Для устранения этой проблемы были разработаны разнообразные конструкции – дифференциалы с повышенным внутренним сопротивлением (так называемые самоблоки) и дифференциалы с принудительной блокировкой, ручной или автоматизированной. В зависимости от конструкции и назначения они могут как изменять перераспределение потока мощности в пользу колеса с хорошим сцеплением с поверхностью, так и полностью замыкать дифференциал, заставляя колеса на оси вращаться с одинаковой скоростью. Разные типы таких дифференциалов мы рассмотрим в отдельных материалах.
Дифференциал
Главная передача предназначена для увеличения крутящего момента, передаваемого к ведущим колесам. Устройство ее, на первый взгляд, весьма просто — две шестерни. Одна, размером поменьше, является ведущей, вторая, побольше — ведомой. Но от конструкции главной передачи во многом зависят тягово-скоростные характеристики автомобиля и расход топлива.
На заднеприводных автомобилях применяется гипоидная главная передача, так как крутящий момент нужно передать на ведущие колеса под углом 90 градусов. Почему применяется более сложная в изготовлении гипоидная передача, а не простая коническая? Да потому что у конической передачи ее простота является единственным преимуществом. А недостатков больше: шумность, низкая несущая способность, высокое расположение карданного вала (а, следовательно, и трансмиссионного туннеля в кузове автомобиля). В гипоидной передаче ось ведущей шестерни смещена относительно оси ведомой на величину гипоидного смещения. Поэтому карданный вал располагается ниже, что позволяет уменьшить высоту трансмиссионного туннеля. При этом снижается центр тяжести автомобиля, тем самым улучшая его устойчивость.
Зубья шестерен выполняются косыми или криволинейными. Благодаря тому, что в гипоидной передаче одновременно находится в зацеплении больше зубьев, чем в конической, обеспечивается ее плавная и бесшумная работа, повышается нагрузочная способность. Однако, из-за более плотного прилегания зубьев увеличивается опасность заклинивания, особенно при изменении направления вращения. Поэтому гипоидные передачи требуют высокой точности регулировки и применения специального трансмиссионного масла. В масла для гипоидных передач добавляются противоизносные и противозадирные присадки.
В переднеприводных автомобилях, где нет необходимости изменять направление передаваемого момента, в главной передаче применяются простые цилиндрические шестерни. Конструктивно главная передача устанавливается в общем картере с коробкой передач. Цилиндрические передачи просты в изготовлении, недороги, опасность задиров низка. Поэтому для их смазки в большинстве случаев применяется не специальное трансмиссионное масло, а моторное.
Как влияет передаточное число главной пары на тягово-динамические характеристики? Чем оно выше, тем быстрее происходит разгон, но максимальная скорость ниже. И, наоборот, с уменьшением передаточного числа автомобиль разгоняется медленнее, но достигает большей максимальной скорости. Значение передаточного числа для конкретной модели автомобиля подбирается с учетом характеристик двигателя, размера колес, возможностей тормозной системы.
Дифференциал — это механизм, позволяющий (при необходимости) ведущим колесам автомобиля вращаться с разными скоростями. Для чего это нужно? При движении по прямой колеса проходят одинаковый путь, в повороте же внешнее колесо проходит путь больший, чем внутреннее колесо. Поэтому, чтобы «успеть» за автомобилем, внешнее колесо должно вращаться быстрее.
Устройство дифференциала несложное — корпус, ось сателлитов и два сателлита (шестерни). Корпус крепится к ведомой шестерне главной пары и вращается вместе с ней. Сателлиты входят в зацепление с шестернями полуосей, которые непосредственно вращают колеса.
В такой конструкции сателлиты передают больший крутящий момент на ту полуось, которая оказывает меньшее сопротивление вращению. То есть, с большей скоростью будет вращаться колесо, которое дифференциалу легче раскрутить. При движение по прямой колеса нагружены одинаково, дифференциал делит крутящий момент поровну, сателлиты не вращаются вокруг своей оси. В повороте внутреннее колесо нагружено больше, внешнее — разгружается. Поэтому сателлиты начинают вращаться вокруг оси, подкручивая менее нагруженное колесо, увеличивая тем самым скорость его вращения.
Но такая особенность дифференциала иногда приводит к весьма неприятным последствиям. Если, например, одно из колес попадет на скользкую поверхность, дифференциал будет вращать только его, полностью игнорируя колесо, имеющее нормальный контакт с дорогой. То есть, автомобиль будет «буксовать».
Для борьбы с этим явлением применяются блокировки дифференциала. Способов блокировок придумано множество — от простых механических до изощренных электронных.
Дифференциал с полной блокировкой
Применяется во внедорожниках. В такой конструкции валы полуосей жестко соединяются между собой, вращаясь, таким образом, с равными скоростями. Блокировка включается водителем вручную перед преодолением труднопроходимого участка, после чего ее необходимо выключать во избежание перегрузок трансмиссии, повышенного износа шин и снижения управляемости автомобиля. При движении в обычных дорожных условиях полную блокировку применять, естественно, нельзя.
Дифференциал с частичной блокировкой
В таких дифференциалах блокировка включается автоматически, поэтому их еще называют самоблокирующимися. При этом усилие блокировки нарастает постепенно, пропорционально разнице в скорости вращения или величине крутящего момента. По конструкции самоблокирующиеся дифференциалы можно разделить на четыре вида: вязкостные, дисковые, винтовые, электронноуправляемые.
Вискомуфта (вязкостная муфта) представляет собой герметичный корпус, в котором размещены два пакета фрикционов. Пространство внутри корпуса заполнено силиконовой жидкостью, вязкость которой зависит от температуры. Один пакет фрикционов соединяется с корпусом дифференциала, второй — с одной из полуосей. В обычных условиях, когда полуоси вращаются с одинаковой скоростью, или с небольшой разницей, вискомуфта себя никак не проявляет. При пробуксовке одного из колес скорость вращения полуоси резко возрастает, жидкость при этом интенсивно нагревается, а ее вязкость повышается. В результате пакеты фрикционов «слипаются» — скорости валов выравниваются. При остывании вязкость снижается — валы снова вращаются независимо. Вискомуфта способна обеспечить лишь небольшой коэффициент блокировки, при длительной пробуксовке перегревается, срабатывает с запаздываниями (пока нагреется жидкость). Поэтому область ее применения — обычные городские автомобили, для преодоления бездорожья она не подходит.
Дисковые дифференциалы — это обычные дифференциалы, в которые дополнительно встраиваются один или два пакета фрикционов и распорная пружина, создающая преднатяг (сжатие пакетов). В пакете фрикционов часть дисков крепится к полуоси, вторая — к корпусу дифференциала. Когда колеса вращаются с одинаковыми скоростями, диски в пакете вращаются как одно целое. При разнице в скорости вращения между ними возникают силы трения, стремящиеся выровнять скорости. Таким образом осуществляется частичная блокировка дифференциала. Очевидны недостатки дисковой блокировки — постоянный, пусть даже и небольшой, момент трения, создаваемый преднатягом, ухудшает управляемость, быстрее изнашиваются шины, увеличивается расход топлива. Да и срок службы фрикционов сравнительно небольшой. По мере их износа снижается и степень блокировки, а после полного износа дифференциал работает уже как свободный. Отсюда вывод — чем чаще «буксуешь», тем быстрее «умирает» дифференциал. Дисковые дифференциалы требуют применения специального трансмиссионного масла.
Усилием преднатяга определяется степень блокировки и минимальный крутящий момент, передаваемый на колесо в любых дорожных условиях. Регулируя степень преднатяга подбирают нужный компромисс между проходимостью и управляемостью. Дисковые дифференциалы с малым преднатягом используются на обычных, дорожных автомобилях, с большим — на спортивных.
Более «продвинутой» версией дискового дифференциал является героторный дифференциал. В нем шестеренчатый масляный насос приводит в действие поршень, который сжимает пакет фрикционов. А производительность насоса зависит от разницы в скорости вращения полуосей. Чем больше эта разница — тем сильнее усилие сжатия, а, соответственно, и степень блокировки.
Червячные дифференциалы — используют для блокировки свойства червячных передач. Самыми распространенными являются дифференциалы Торсен и Квайф. Червячная передача состоит из червяка и червячного колеса. Червяк (сателлит) является ведущим звеном, колесо (шестерня полуоси) — ведомым. КПД передачи при прямом вращении намного больше, чем при обратном, и зависит от угла наклона витков червяка. Говоря проще, червяк легко вращает колесо, колесо же с трудом вращает червяк. При определенном угле витка червяка обратная передача становится вообще невозможной — то есть, колесо не сможет вращать червяк (происходит самоторможение). Таким образом, подбирая угол наклона витков червяка, регулируют степень блокировки дифференциала Торсен. Блокирующие свойства Торсена зависят также и от величины передаваемого крутящего момента. Существует три типа дифференциала Торсен. Типы Т1 и Т2 отличаются формой сателлитов и используются в качестве межколесных. Торсен Т3 используется в полноприводных автомобилях в качестве межосевого дифференциала.
В дифференциале «Квайф» сателлиты не посажены на оси, а свободно расположены в гнездах корпуса. При возникновении разницы в скорости вращения полуосей сателлиты, блокируясь, сдвигаются в гнездах и прижимаются к корпусу. Возникающая при этом сила трения пропорциональна разнице скоростей вращения. Степень блокировки регулируют, подбирая сателлиты с различным углом наклона витков.
Червячные дифференциалы по сравнению с дисковыми отличаются большей надежностью и коэффициентом блокировки, меньше боятся пробуксовки (но длительные и частые пробуксовки все равно не рекомендуются). Однако такие дифференциалы, в отличие от дисковых и вискомуфты, совершенно беспомощны против диагонального вывешивания.
Электронноуправляемые дифференциалы. Электроника, активно внедряемая во все узлы и системы автомобиля, не обошла стороной и дифференциал. Типовая конструкция электронноуправляемого дифференциала напоминает устройство обычного дискового дифференциала, но сжатие фрикционов осуществляется гидро- либо электроприводом по команде блока управления. Таким образом можно регулировать степень блокировки в самых широких пределах — от 0 до 100%. Все зависит от заложенной в блок программы.
Казалось бы, идеал достигнут! Но, нет пытливые японцы пошли дальше и сконструировали активный дифференциал — самый совершенный на данный момент. Обычный электронноуправляемый дифференциал при пробуксовке только выравнивает скорости вращения полуосей. Активный же дифференциал может вращать полуоси с разными скоростями, в зависимости от дорожной ситуации. Например, в повороте добавить момент на внешнее разгруженное колесо, помогая автомобилю «довернуться».
Что такой дифференциал представляет собой конструктивно? Обычный свободный дифференциал дополнен двумя передачами — повышающей и понижающей. Включает передачи при помощи мокрых сцеплений блок управления. Величина передаваемого крутящего момента регулируется степенью сжатия сцеплений. Таким образом автомобиль с активным дифференциалом может и мастерски проходить крутые виражи, и на бездорожье не спасует. Другой вопрос, стоит ли овчинка выделки: цена дифференциала немаленькая. Поэтому и ограничивается его применение только мощными спортивными автомобилями.
Имитация блокировок. В последнее время большое распространение получили электронные системы, которые при возникновении пробуксовки подтормаживают буксующее колесо с помощью штатной тормозной системы, имитируя блокировку дифференциала. Для обычного городского автомобиля, не выезжающего на бездорожье — самое практичное решение. И на скользкой дороге поможет, и даже диагонального вывешивания не боится.
Преимущества и недостатки. Автомобиль с самоблокирующимся дифференциалом увеличивает тягу на колесах, тем самым повышая проходимость на бездорожье и на скользкой дороге (еще бы, а ради чего тогда было огород городить?). Также улучшается динамика разгона. Широко используются такие дифференциалы на мощных спортивных автомобилях и в тюнинге для более полной реализации мощности, прохождения поворотов в скольжении.
Но то, что хорошо для спортивного автомобиля, не всегда благо для обычного. Ведь самоблокирующийся дифференциал, повышая проходимость, ухудшает управляемость. Например, при разгоне на скользкой дороге автомобиль сложнее удержать на прямой. Если блокировки нет, автомобиль, проскальзывая, просто теряет ускорение. Если же срабатывает блокировка, небуксующее колесо (или колеса) продолжают толкать автомобиль вперед, тем самым уводя его с прямолинейной траектории.
Блокировки, установленные на передней оси, увеличивают недостаточную поворачиваемость (траектория в повороте стремится распрямиться), установленные в задней оси — повышают избыточную поворачиваемость (в повороте увеличивается склонность к заносу).
Самоблокирующиеся дифференциалы еще называют дифференциалами повышенного трения. А повышенное трение приводит к увеличенному расходу топлива, снижению срока службы шин и деталей трансмиссии.