Як працюють диференціали

ЯК ПРАЦЮЮТЬ диференціалом

У цій статті ми розповімо про роботу диференціалів, а також навіщо він потрібен автомобілю і про його недоліки.

Що таке диференціал?

Диференціал - це пристрій, який розподіляє крутний момент по двох напрямах, допускаючи обертання кожного виходу з різною швидкістю. Він використовується у всіх сучасних автомобілях і вантажівках, а також на машинах з постійним повним приводом. Причому в останніх - між кожною парою коліс, тому що передні проходять різний шлях в повороті в порівнянні з задніми. Системи непостійного повного приводу не мають диференціала між передніми і задніми колесами; замість цього під час механічного блокування передні і задні колеса змушені обертатися з однаковою середньою швидкістю. Ось чому такі системи повного приводу не рекомендують використовувати на сухому асфальті: з включеним повним приводом машина важко повертається на асфальті.

Диференціал виконує відразу 3 функції:

• спрямовує потужність двигуна на колеса;

• є останнім етапом зниження передачі в машині, сповільнюючи частоту обертання трансмісії перед тим, як потужність піде на колеса;

• направляючи потужність на колеса, дозволяє їм обертатися з різними швидкостями (це властивість дало ім'я диференціалу).

Навіщо потрібен диференціал

Колеса машини обертаються з різними швидкостями, особливо в поворотах - внутрішні колеса проходять менший шлях, ніж зовнішні, а значить, і з меншою швидкістю. При цьому передні колеса проходять різну відстань в порівнянні з задніми. Якби машина не мала диференціалів, то колеса оберталися б з однією і тією ж швидкістю. Це сильно ускладнило б повороти: щоб повертати, одне колесо мало б звучати, тобто буксувати. Зусилля від одного колеса через вісь переходило б, серйозно навантажуючи її компоненти.

Почнемо з найпростішого варіанту, званого відкритим диференціалом. Коли машина їде по прямій, обидва провідні колеса обертаються з однаковою швидкістю. Первинна шестерня обертає коронну шестерню і корпус диференціала, при цьому жодна з шестерень в корпусі не обертається - обидві напівосьові шестерні заблоковані, так як рух йде по прямій. Зверніть увагу, що пара "первинна шестерня і коронна шестерня" - це останнє передавальне число в машині, яке часто називають передавальним числом моста або передавальним числом головної передачі. Якщо воно становить 4,10, тоді число зубів коронної шестерні в 4,10 рази більше числа зубів первинної шестерні. При повороті підключаються напівосьові і ведуча шестерні, забезпечуючи різні швидкості для коліс.

Диференціал в разрезе.Классіческіе автомобільні диференціали засновані на планетарній передачі. Карданний вал (1) через конічну зубчасту передачу обертає ротор (2). Ротор через шестерні (3) обертає піввісь (4). Таке зачеплення має не одну, а дві ступені свободи, і кожна з піввісь обертається з такою швидкістю, з якою може. Постійна лише сумарна швидкість обертання півосей

Це ще одна ситуація, коли простий диференціал може привести до проблеми. Припустимо, у вас полно¬пріводний позашляховик або «паркетник» з відкритим диференціалом на передній і задній осі. Як ми згадували раніше, відкриті диференціали подають завжди однаковий крутний момент на обидва колеса. Якщо одне з передніх і одне із задніх коліс повиснуть у повітрі одночасно, то вони будуть безпорадно крутиться в повітрі, а автомобіль взагалі не зможе рухатися вперед. Вирішення цієї проблеми - диференціали підвищеного тертя (limited slip differential (LSD)). Вони використовують різні механізми, щоб працювати, як звичайні диференціали при поворотах. При ковзанні одного колеса диференціали підвищеного тертя дозволяють подавати більше крутного моменту на колесо з тягою.

Диференціали з постійним моментом блокування

Цей вид диференціалів підвищеного тертя використовує всі елементи відкритого диференціала, додаючи пружини і комплект зчеплення. У деяких використовується конусообразное зчеплення, подібно синхронізатором механічною КПП. Пружини штовхають напівосьові шестерні, які закріплені на корпусі диференціала, на зчеплення. Зчеплення спрацьовує при виникненні різниці в швидкостях обертання коліс осі, наприклад в повороті. Зчеплення пручається різниці в швидкості обертання коліс. Якщо одне колесо намагається обертатися швидше іншого, йому спочатку треба подолати зчеплення. Жорсткість пружин і тертя зчеплення визначають значення крутного моменту на подолання опору. Повернемося до ситуації, коли одне колесо має зчеплення з дорогою, а друге знаходиться на льоду. Диференціали з постійним моментом блокування навіть при знаходженні одного колеса на льоду без тяги дозволяють передати крутний момент на інше колесо. Крутний момент, що йде на колесо не на льоду, дорівнює максимальному зусиллю на подолання опору зчеплення всередині диференціала. В результаті автомобіль продовжує рух з обмеженою потужністю.

Віскостная муфта часто застосовується в повнопривідних автомобілях з'єднують пристрій і передню осі з задньої. Коли передня вісь починає буксувати, крутний момент йде на задню. Віскостная муфта являє собою набір дисків всередині закритого корпусу, заповненого тягучою рідиною. Кожен набір дисків з'єднаний з вихідною полуосью. У нормальних умовах обидва набору дисків і рідина віськомуфти обертаються з однаковою швидкістю. Коли один з мостів намагається обертатися швидше, наприклад при пробуксовці, відповідний йому набір дисків починає обертатися швидше, ніж інший. Віскостная рідина, яка знаходиться між дисками, намагається наздогнати прискорити диски, захоплюючи за собою повільні диски, передаючи більший крутний момент на повільні колеса, тобто на ті, які не буксують. Чим більше різниця в швидкості обертання між дисками, тим більший крутний момент передає віскостная муфта. Вона не втручається в повороти, тому що отримується крутний момент дуже малий. До речі, в цьому полягає її основний недолік: крутний момент не передається, поки колесо не почне буксувати.

Блокується диференціал і Торсен (Torsen®)

Блокування диференціала використовується для позашляховиків. Вона додає до вільного диференціалу електричний, пневматичний і гідравлічний механізм, щоб жорстко з'єднати шестірні між собою. Цей механізм включається водієм вручну, і у включеному режимі обидва колеса обертаються з однаковою швидкістю. Якщо одне з коліс виявиться в повітрі або на льоду, це ніяк не впливає на друге. Обидва колеса продовжують обертатися з однаковою швидкістю, як ніби нічого не сталося. Диференціал Torsen (означет - відчуває момент - Torque Sensing) - це чисто механічний пристрій; в ньому немає електроніки, зчеплень і віскостних рідин. Диференціал Torsen - це кілька черв'ячних передач, що обертаються всередині герметичного циліндричного корпусу. Від кутів нахилу черв'яків і застосовуваних матеріалів залежить коефіцієнт блокування. Він визначає, коли і який додатковий момент повинен перейти на вісь, що має краще зчеплення з дорогою. Але як тільки одне з коліс втрачає тягу, різниця в моменті, що крутить коліс змушує зачіпатися шестерні Torsen. Форма шестерень в цьому диференціалі визначає коефіцієнт передачі крутного моменту. Наприклад, якщо конкретний диференціал Torsen сконструйований з передавальним числом 5: 1, то він здатний збільшувати аж до 5 разів крутний момент на колесо з хорошою тягою. Диференціал Torsen часто знаходить застосування в спортивних повнопривідних машинах. Подібно вискомуфта, він використовується для передачі крутного моменту між передньою і задньою віссю. В цьому випадку диференціал краще віськомуфти, тому що передає крутний момент на колеса до того моменту, як починається пробуксовка. Визначальною характеристикою Torsen стало передавальне співвідношення крутного моменту TBR (Torque Bias Ratio). Типові значення - від 2 до 6.

Диференціали і тяга

Відкритий диференціал завжди подає однаковий крутний момент на кожне колесо. Існують два фактора, від яких залежить кількість крутного моменту на колеса: потужність і тяга. На сухій дорозі, коли тяга в надлишку, кількість крутного моменту обмежена можливостями двигуна до коліс; в умовах слабкої тяги, наприклад при їзді по льоду, кількість максимального крутного моменту дорівнює тому значенням, при якому колесо починає прослизати в даних умовах. Отже, навіть якщо машина може виробити більше крутного моменту, необхідна тяга, щоб передати його до дороги. Якщо дати більше газу в момент пробуксовки, колеса просто почнуть більше прослизати.

Розглянемо, що відбувається, якщо одне колесо буксує, а інше має хороше зчеплення з льодом. Ось тут проявляється слабкість відкритих диференціалів. Справа в тому, що відкриті диференціали подають завжди однаковий крутний момент на обидва колеса, а його максимальне значення - це момент початку пробуксовки. На льоду не треба мати великий крутний момент, щоб змусити колеса пробуксовувати. Коли колесо з хорошою тягою отримує лише той обмежений крутний момент, який може бути направлений на колесо з меншим зчепленням, машина не може швидко їхати.