Что такое дифференциал в автомобиле, как он работает и для чего он нужен. Виды дифференциалов и их назначение.

Как работает дифференциал?

По принципу действия дифференциал прост. В основе лежит планетарная передача, которая состоит из шестерен-полуосей, шестерен-саттелитов, ведомой и ведущей шестерни (передача вращения выполняется через ведущую шестерню).

Есть 3 режима:

Движение по прямой дороге. Колеса автомобиля встречают одинаковое сопротивление — из-за этого шестерни-саттелиты не приводятся в движение. Поэтому мощность распределяется в соотношении 50/50 – поровну на каждое колесо. При этом период вращения колес равен периоду вращения ведомой шестерни.
Поворот. Иная ситуация возникает при повороте. Из-за разного сопротивления угловая скорость одного из колес уменьшается, в результате замедляется и шестерня полуосей. Она приводит в движение саттелиты. Их вращение обеспечивает увеличение частоты вращения второй шестерни полуосей. Именно поэтому меняется соотношение скоростей вращения колес (крутящий момент распределяется в равных пропорциях), а их проворачивание отсутствует.
Пробуксовка. Если автомобиль застрял или попал на сколькое покрытие, может возникнуть пробуксовка одного из колес. Скользящее колесо почти не встречает сопротивления, а для застрявшего оно максимально. За счет дифференциала, находящегося в автомобиле, происходит перераспределение мощностей. Соотношение может доходить до 0/100 (одно колесо стоит, а второе вращается с удвоенной скоростью). Тогда машина встает и не может тронуться. Поэтому многие современные автомобили оснащены блокировкой дифференциала.

По виду зубчатой передачи типы автомобильных дифференциалов бывают такими: цилиндрические, конические и червячные. Наиболее универсальной является последняя разновидность — ее устанавливают как в системах полного привода, так и на автомобилях с 1-й ведущей осью. Цилиндрический больше подходит для установки между мостами полноприводной машины. А передне- и заднеприводные авто оснащают коническими.

Блокировка дифференциала

Наиболее важна блокировка в авто с полным приводом. И причина не только в том, что их чаще эксплуатируют на бездорожье. Из-за особенностей конструкции таких автомобилей при потере сцепления с дорогой одного колеса крутящий момент может сократиться и на трех остальных. Из-за этого авто не будет ехать.

Блокировка происходит за счет «отключения» шестерен-саттелитов либо переноса мощности на загруженную полуось. В зависимости от способа перераспределения механизмы блокировки бывают полными или частичными. Распространены самоблокирующиеся дифференциалы – они устанавливаются на кроссоверы. Их работа позволяет оптимально распределить крутящий момент.

Наиболее сложным устройством обладает электронная блокировка. Она совмещён с системой курсовой устойчивости. Параметры движения автомобиля в этом случае определяют датчики. А за распределение мощности отвечает компьютер автомобиля.

Для чего нужен дифференциал в автомобиле

Узел выполняет 2 задачи:

расщепляет один поток энергии на два разных;
обеспечивает вращение ведущих колес транспортного средства с разной частотой.

С первым пунктом все понятно: источник вращения в транспортном средстве один, ведущих колес два (в случае с вездеходами или полноприводными автомобилями даже больше). Зачем же нужна разная скорость вращения? Это необходимо в первую очередь на поворотах. Если бы при их выполнении колеса вращались одинаково, машина попросту опрокинулась бы. Дифференциал разрывает жесткую связь между двумя частями ведущей оси и тем самым:

повышает КПД авто;
снижает расход топлива;
предотвращает явление паразитной циркуляции мощности, которое возникает, если частота вращения колес не согласована;
делает более надежным сцепление ведущих колес и дорожного покрытия.

Иными словами, узел обеспечивает разное вращение двух элементов или разделяет 1 поток вращения на 2 и более. Отсюда и его название – слово «differentia» в переводе с латинского языка означает «разница».

Расположение

Существуют 2 вида дифференциалов: межосевой и межколесный (находится в корпусе ведущего моста). Эти типы дифференциалов имеют ряд отличий. Расположение узла зависит от типа привода автомобиля.

Режимы работы дифференциала

Нельзя не рассказать и режимах работы дифференциала. Сразу отметим, что дифференциалы делят на симметричные и несимметричные. Симметричный механизм способен передавать осям момент в равных соотношениях. Их работа не зависит от того, каковы угловые скорости ведущих колес. Несимметричный механизм может «делить» крутящий момент, вследствие чего он может устанавливаться между ведущими осями транспортного средства. Симметричный межколесный дифференциал работает в одном из трех режимов:

Прямолинейное движение;
Вхождение автомобиля в поворот;
Езда по нетипичным поверхностям, как-то скользким.

В первом режиме оба автомобильных колеса преодолевают одинаковое сопротивление дороги. От главной передачи крутящий момент передается на корпус (чашку) дифференциала. Сателлиты смещаются, не сцепляясь с полуосевыми шестернями, и передают момент ведущим колесам. Разницы в воспринимаемом колесами крутящем моменте нет. Во втором режиме наблюдается следующее: наружное колесо, т.е. отдаленное от центра поворота, встречает намного меньшее сопротивление, нежели внутреннее. Внутренняя полуосевая шестерня дифференциала при этом замедляется, что приводит ко вращению сателлитов против свое оси. Как результат, скорость вращения наружной полуосевой шестерни станет большей. Заметьте, что сумма частот вращения полуосевых шестерен всегда вдвое больше частоты, с которой вращается ведомая шестерня главной передачи.

Третий режим работы дифференциала особенно интересен. При движении по скользкой поверхности одно колеса автомобиля обычное встречает большое сопротивление, а второе и вовсе начинает пробуксовывать. При этом дифференциал будет наращивать частоту вращения буксующего колеса, а второго – понижать. Это приводит к патовой ситуации: одно колесо не имеет сцепления с дорогой и его крутящий момент наращивается дифференциалом, а второе колесо, имеющее сцепление с поверхностью, вообще не получает крутящего момента. Из-за этого автомобиль, попавший, к примеру, в топь не сдвинется – действительно быстро начнет вращаться только вывешенное колесо. Проблему позволяет решить блокировка дифференциала.

Виды автомобильных дифференциалов

Виды дифференциалов по принципу работы таковы:

С полной блокировкой. Блокировка выполняется водителем принудительно. Из-за того, что угловая скорость колес становится равной, при поворотах ухудшается управляемость и увеличивается износ покрышек. Подобной блокировкой оснащались автомобили ВАЗ-2121.

LSD (Limited Slip Differential). Узел этого вида является самоблокирующимся. Если разница между скоростями вращения двух колес становится слишком большой, происходит автоматическая блокировка (то есть ситуация, когда вся мощность поступает на 1 колесо, невозможна). Конструкция такого типа позволяет успешно преодолевать скользкие участки или бездорожье.
Вискомуфта (вязкостная муфта). Разновидность самоблокирующегося дифференциала, в котором блокировка выполняется за счет физических свойств некоторых веществ. Обычно сюда заливается дилатантная жидкость, основой которой служит силикон. При нормальной температуре и без перемешивания она сохраняет жидкое состояние. Однако при нагревании она расширяется и приобретает консистенцию клея. Подобная конструкция очень простая и дешевая, поэтому ее устанавливают на большинство «паркетников». Однако данный узел неремонтопригоден, неустойчив к длительной работе и не может быть подключен вручную. Полная блокировка колес возможна только при очень сильной пробуксовке.
Torsen (англ. Torque и Sensing). Еще один тип с самоблокировкой. По устройству и принципу работы дифференциала Torsen несколько отличается от предыдущих моделей. Принцип действия — за счет свойства червячной передачи заклинивать при определенном соотношении крутящих моментов. Данная разновидность узла используется на многих полноприводных автомобилях (например, на моделях марки Audi). Преимущество Torsen в его простоте и надежности. Он действует чисто механически и не связан с электроникой. Этот узел стабильнее вискомуфты. Основной недостаток конструкции заключается в том, что авто невозможно сдвинуть, если сразу 2 колеса одной оси проскальзывают. Кроме того, изделия Torsen достаточно дороги.

Электронный. Блокировка выполняется в автоматическом режиме посредством бортового компьютера. Главное преимущество такой конструкции – возможность настройки степени блокировки. Также этот узел хорошо стабилизирует машину при возникновении избыточной «поворачиваемости». Однако крутящий момент здесь всегда смещается на колесо с меньшей скоростью вращения.

Многодисковый. В конструкции есть подпружиненные фрикционные диски. Механизмы такого типа применяют редко, потому что они быстро изнашиваются. Чаще всего их используют в автоспорте.

Преимущества и недостатки

Применение дифференциального механизма имеет как преимущества, так и недостатки. К основным плюсам можно отнести следующие.

Возможность безопасного и эффективного выполнения поворотов. При отсутствии устройства в конструкции автомобиля транспортное средство пробуксовывало бы на них. Это привело бы к существенному снижению маневренности, а также к значительному повышению нагрузки на трансмиссию и другие узлы машины.
Надежность. Устройство способно выдержать существенные нагрузки.

А это – минусы узла.

Необходимость блокировки в некоторых условиях передвижения. Уже говорилось, что при пробуксовке дифференциал может почти остановить колесо, сохранившее надежное сцепление с покрытием. Это требует блокировать его в некоторых условиях. К ним можно отнести передвижение по льду, снегу, сложным дорогам.
Необходимость следить за состоянием узла. Конструкция испытывает значительные нагрузки во время передвижения транспортного средства. Поэтому со временем ее элементы изнашиваются. Это требует от водителя постоянно следить за их состоянием и менять на новые при сильном износе.