Дифференциал выполняет сразу 3 работы:
Направляет мощность двигателя на колеса;
Является последним этапом понижения передачи в машине, замедляя частоту
вращения трансмиссии перед тем, как мощность пойдет на колеса
Направляет мощность на колеса, позволяя им вращаться с разными скоростями (это свойство дало имя дифференциалу)
В этой статье Вы узнаете, зачем нужен дифференциал, как он работает и
каковы его недостатки. Также остановимся на дифференциалах повышенного
трения.
Зачем нужен дифференциал
Колеса машины вращаются с разными скоростями, особенно в поворотах.
Анимация ниже показывает, что каждое колесо проходит разное расстояние,
и что внутренние колеса проходят меньший путь, чем наружние. Колеса с
меньшим путем вращаются с меньшей скоростью. Заметьте, что передние
колеса проходят разное расстояние по сравнению с задними.
Для неведущих колес – передние для заднеприводной машины, задние для
переднеприводной машины – это не проблема. Между ними нет соединения,
поэтому они вращаются независимо. Но ведущие колеса соединены вместе
таким образом, что двигатель и трансмиссия вращают оба колеса. Если
машина не имела бы дифференциалов, то колеса вращались с одной и той же
скоростью. Это сильно затруднило бы повороты: чтобы поворачивать, одно
колесо должно было проскальзывать. При наличии современных шин и дорог
огромная сила уходит на то, чтобы колесо начало буксовать. Это усилие
переходило бы от одного колеса через ось на другое, серьезно нагружая
компоненты оси.
Что такое дифференциал?
Дифференциал – это устройство, которое разветвляет крутящий момент по
двум направлением, допуская вращение каждого выхода с разной скоростью.
Дифференциал используется во всех современных машинах и грузовиках, а
также на полноприводных машинах (постоянный полный привод).
Полноприводные машины используют дифференциал между каждой парой колес,
им нужен дифференциал еще между передними и задними колесами тоже,
потому что передние колеса проходят разный путь в повороте по сравнению
с задними.
Системы непостоянного полного привода не имеют дифференциал между
передними и задними колесами; вместо этого во время механической
блокировки передние и задние колеса вынуждены вращаться с одинаковой
средней скоростью. Вот почему такие системы полного привода не
рекомендуют использовать на сухом асфальте: машина тяжело
поворачивается на асфальте с включенным полным приводом.
Открытые дифференциалы
Начнем с простейшего варианта, называемого открытым дифференциалом. Для
начала разберемся с терминологией: схема ниже изображает компоненты
открытого дифференциала.
Когда машина едет по прямой, оба ведущий колеса вращаются с одинаковой
скоростью. Первичная шестерня вращает коронную шестерню и корпус
дифференциала, при этом ни одна из шестерен в корпусе не вращается –
обе полуосевые шестерни заблокированы в корпусе.
Обратите внимание, что пара "первичная шестерня и коронная шестерня" -
это последнее передаточное число в машине, которое часто называют
передаточным числом моста или передаточным числом главной передачи.
Если оно составляет 4.10, тогда число зубьев коронной шестерни в 4.10
раз больше числа зубьев первичной шестерни.
Когда машина поворачивает, колеса вращаются с разной скоростью.
Открытый дифференциал - Прямая (600KB)
Открытый дифференциал - Поворот (1.1MB)
Дифференциалы и тяга
Открытый дифференциал всегда подает одинаковый крутящий момент на
каждое колесо. Существуют два фактора, от которых зависит количество
крутящего момента на колесах: мощность и тяга. На сухой дороге, когда
тяга в избытке, количество крутящего момента ограничено возможностями
двигателя и железа до колес; в условиях слабой тяги, например, при езде
по льду, количество максимального крутящего момента равно тому
значению, при котором колесо начинает проскальзывать в данных условиях.
Итак, даже если машина может произвести больше крутящего момента,
должна быть тяга, чтобы передать его до дороги. Если дать больше газа в
момент пробуксовки, колеса просто начнут больше проскальзывать.
На льду
Если Вы когда-нибудь трогались на льду, Вы знаете этот трюк для
улучшения тяги: если стартовать со 2-й или даже с 3-й передачи, вместо
первой, потому что эти передачи выдают меньше крутящего момента на
колеса. В результате Вам легче ускоряться без пробуксовок колес.
Теперь рассмотрим, что происходит, если одно колесо буксует, а другое
имеет хорошее сцепление со льдом? Вот тут проявляется слабость открытых
дифференциалов.
Дело в том, что открытые дифференциалы подают всегда одинаковый
крутящий момент на оба колеса, а его максимальное значение – это момент
начала пробуксовки. На льду не надо иметь большой крутящий момент,
чтобы заставить колеса пробуксовывать. Когда колесо с хорошей тягой
получает лишь тот ограниченный крутящий момент, который может быть
направлен на колесо с меньшим сцеплением, машина не может быстро ехать. Бездорожье
Еще одна ситуация, когда простой дифференциал может привести к
проблеме, бездорожье. Допустим у Вас полноприводной внедорожник или
паркетник с открытым дифференциалом на передней и задней осях. Как мы
упоминали ранее, открытые дифференциалы подают всегда одинаковый
крутящий момент на оба колеса. Если одно из передних и одно из задних
колес повиснут в воздухе одновременно, то они будут беспомощно
крутиться в воздухе, а Вы вообще не сможете двигаться вперед.
Решение этой проблемы – дифференциалы повышенного трения
(limited slip differential (LSD)). Дифференциалы повышенного трения
используют различные механизмы, чтобы работать как обычные
дифференциалы при поворотах. При скольжении колеса дифференциалы
повышенного трения позволяют подавать больше крутящего момента на
колесо с тягой.
Далее рассмотрим различные варианты дифференциалов повышенного трения,
включая самоблокирущийся дифференциал повышенного трения LSD,
вязкостную муфту, дифференциал с ручной блокировкой и Торсен.
Дифференциалы с постоянным моментом блокировки.
Этот вид дифференциалов повышенного трения использует все элементы
открытого дифференциала, добавляя пружины и набор сцепления. Некоторые
решения используют конусообразное сцепление подобно синхронизаторам
механической КПП.
Пружины толкают полуосевые шестерни на сцепление, которые закреплены на корпусе дифференциала.
Сцепление срабатывает при возникновении разницы в скоростях вращения
колес оси, например, в повороте. Сцепление сопротивляется разнице в
скорости вращения колес. Если одно колесо пытается вращаться быстрее
другого, ему сначало надо преодолеть сцепление. Жесткость пружин и
трение сцепления определяют значение крутящего момента на преодоление
сопротивления.
Вернемся к ситуации, когда одно колесо имеет сцепление с дорогой, а
второе находится на льду: Дифференциалы с постоянным моментом
блокировки даже при нахождении одного колеса на льду без тяги позволяют
передать крутящий момент на другое колесо, чтобы оно двигалось.
Крутящий момент, идущий на колесо не на льду, равен максимальному
усилию на преодоление сопротивления сцепления внутри дифференциала. В
результате Вы продолжаете движение с ограниченной мощностью.
Вискостная муфта
Вискостная муфта часто применяется в полноприводных автомобилях. Оно
обычно соеднияет переднюю ось с задней. Когда передняя ось начинает
буксовать, крутящий момент идет на заднюю.
Вискостная муфта представляет набор дисков внутри закрытого корпуса,
заполненного тягучей жидкостью. Каждый набор дисков соединен с выходной
полуосью. В нормальных условиях оба набора дисков и жидкость вискомуфты
вращаются с одинаковой скоростью. Когда один из мостов пытается
вращаться быстрее, например, при пробуксовке, соответствующий ему набор
дисков начинает вращаться быстрее, чем другой. Вискостная жидкость,
которая находится между дисками пытается догнать ускорившиеся диски,
увлекая за собой медленные диски. В результате больший крутящий момент
на медленные колеса, то есть на те, которые не буксуют.
Когда машина поворачивает, разница в скорости вращения колес не так
велика, как при пробуксовке. Чем больше разница в скорости вращения
между дисками, тем больший крутящий момент передает вискостная муфта.
Вискостная муфта не вмешивается в повороты, потому что получаемый
крутящий момент очень мал. Кстати, в этом состоит основной недостаток
вискостной муфты: крутящий момент не передаются, пока колесо не начнет
буксовать.
Простой опыт с яйцом поможет объяснить работу вискомуфты. Положите яйцо
на стол, скорлупа и желток неподвижны. Если резко закрутить яйцо,
короткое время скорлупа будет вращаться быстрее желтка, но последний
быстро ее догонит. Чтобы доказать, что желток вращается, раскрутите
яйцо, потом резко остановите и отпустите – оно начнет снова крутиться
(при условии, что оно не сварено вкрутую). В этом опыте мы использовали
трение между желтком и скорлупой, чтобы передать крутящий момент желтку
при раскручивании яйца. Когда мы остановили яйцо, то же самое трение –
между еще вращавшимя желтком и скорлупой – направило крутящий момент на
скорлупу. В виской муфте происходит аналогичный процесс между наборами
дисков и вискостной жидкостью.
Блокирующийся дифференциал и Торсен (Torsen®)
Блокировка дифференциала используется для внедорожников. Этот
дифференциал добавляет к свободному дифференциалу электрический,
пневматический и гидравлический механизм, чтобы жестко соединить
шестерни между собой.
Этот механизм включается водителем вручную, во включенном режиме оба
колеса вращаются с одинаковой скоростью. Если одно из колес окажется в
воздухе или на льду, это никак не влияет на второе. Оба колеса
продолжают вращаться с одинаковой скоростью, как будто ничего не
случилось.
Дифференциал Торсен (Torsen) – это чисто механическое устройство; в нем нет электроники, сцеплений и вискостных жидкостей.
Hummer!
Хаммер применяет дифференциалы Торсен Torsen® на передней и задней
осях. Владельцам Хаммера в руководстве по эксплуатации предлагают
тормозить, когда одно из колес теряет контакт с землей. При торможении
крутящий момент идет на колесо в воздухе, а потом его 5-кратное
значение поступает на колесо с хорошей тягой.
Дифференциал Торсен
Это
пример дифференциала. Двигатель через коробку передач передает крутящий
момент на полый вал 2, который вращает коробку дифференциала. Через
сателлиты 5 крутящий момент попадает на шестерни передней оси 3 и
заднией оси 4.
Это пример дифференциала. Двигатель через коробку передач передает
крутящий момент на полый вал 2, который вращает коробку дифференциала.
Через сателлиты 5 крутящий момент попадает на шестерни передней оси 3 и
заднией оси 4.
Torsen (означет чувствующий момент Torque Sensing) работает как
свободный дифференциал, когда на каждое колесо поступает одинаковый
крутящий момент. Как только одно из колес теряет тягу, разница в
крутящем моменте колес вынуждает зацепляться шестерни Торсена. Форма
шестерен в этом дифференциале определяет коэффициент передачи крутящего
момента. Например, если конкретный дифференциал Torsen сконструирован с
передаточным числом 5:1, то он способен увеличивать вплоть до 5 раз
крутящий момент на колесо с хорошей тягой.
Дифференциал "Торсен" - это несколько червячных передач, вращающихся
внутри герметичного цилиндрического корпуса. От углов наклона червяков
и применяемых материалов зависит коэффициент блокировки. Он определяет,
когда и какой дополнительный момент должен перейти на ось, имеющую
лучшее сцепление с дорогой.
Дифференциал Торсен часто находит применение в спортивных
полноприводных машинах. Подобно вискомуфте, он используется для
передачи крутящего момента между передней и задней осями. В этом случае
дифференциал Торсен предпочтительнее вискомуфты, потому что он передает
крутящий момент на стабильные колеса до того момента, как начинается
пробуксовка.
Все дифференциалы Торсен приводят к одному результату: больший крутящий
момент идет на ось, которая вращается медленнее. Определяющей
характеристикой Торсен стало передаточное соотношение крутящего момента
TBR (Torque Bias Ratio). Типичные значения – от 2 до 6.
Коэффициент TBR 3 означает распределение крутящего момента 3:1 в пользу оси с лучшем сцеплением с дорогой.
Общее правило звучит так:
Сумма крутящих моментов передней и задней оси всегда равна крутящему
моменту двигателя, но ось с медленной скоростью вращения получает
момент в TBR раз больше, чем быстрая ось.
Однако, если одна из осей полностью потеряет тягу, дифференциал Торсена
не сможет передать крутящий момент на другую ось. Передаточное число
определяет, какой крутящий момент может быть передан, а 5*0=0.
