Автомобильный дифференциал – как он работает, из чего он состоит и как происходит его блокировка
01.12.2019Добрый день, дорогие друзья. Сегодня простыми слова объясню, что такое дифференциал, зачем он нужен и как он работает в автомобиле. В чем его плюсы, минусы и зачем придумали его блокировать. Добавлю видео, чтобы лучше понять материал, написанный в этой статье.
Что такое автомобильный дифференциал
Это механическое устройство, разделяющее крутящий момент между двумя полуосями ведущих колес. Разделение происходит в неравных пропорциях, в зависимости от условий, в которых находятся колеса, а точнее от коэффициента сцепления с поверхностью и направлению движения автомобиля. Он позволяет вращаться колесам с разной скоростью, передавая мощность на оба колеса.
Из чего он состоит
Конструкцию рассмотрим на примере простого дифференциала. Он состоит:
- Ведущей шестерни. Она передает крутящий момент от коробки передач, через кардан на главную шестерню.
- Ведомой (главной) шестерни. Заставляет вращаться сателлит (спутник)
- Шестерня сателлита. Она жестко закреплена с ведомой шестеренкой и вращается вместе с ней в одном направлении. Кроме этого, она может совершать вращения вокруг своей оси в разные стороны.
- Две полуосевые шестерни, каждая из которых соединена со своим колесом. Через них мощность и момент передается с сателлита на ведущие колеса.
Конструкция схематически представлена на картинке:
Зачем он нужен
Он нужен, чтобы колеса вращались с разными скоростями при прохождении поворотов. Зачем это нужно? Смотрим на скрин снизу. При повороте автомобиля ведущие колеса проходят разное расстояние S1 и S2, где S1<S2. Одно колесо, проходящее по внутренней траектории, проходит расстояние меньше, чем колесо, движущееся по внешнему радиусу. Чтобы равномерно пройти эти расстояния, колеса должны обладать разной скоростью вращения.
Если оба колеса соединить жестко между собой одной осью, то скорость вращения будет одинаковой, а при прохождении разных расстояний с одной скоростью, какое-то из колес будет отставать, а другое буксовать. Другими словами не колесо будет тащить машину, а машина будет его тянуть. В этом случае, плавность прохождения поворота автомобилем будет нарушена, что может вызвать неожиданное поведения машины – снос или занос ведущей оси, разворот авто, а как следствие – ДТП.
Чтобы колеса имели разные скорости вращения, они должны быть разделены полуосями, жестко не соединенными между собой. Но как в таком случае передавать одновременно на них мощность от двигателя? – Для этого был придуман автомобильный дифференциал. Давайте разберем, как у него получается делить крутящий момент между двумя независимыми осями.
Дифференциал автомобиля принцип работы
Момент передается от коробки передач на ведущую шестерню. В зависимости от компоновки привода она находится или на кардане, или на угловом редукторе. Будем рассматривать на примере заднеприводного автомобиля. Здесь она расположена в корпусе механизма.
Через нее момент передается ведомой шестеренки, которая не имеет прямой связи с осями колес. Она закреплена на подшипнике внутри кожуха агрегата. На ней закреплена шестерня сателлита, спутника, которая крутиться вместе с ведомой звездочкой и вокруг своей оси. Таких спутников может быть несколько, в зависимости от мощности, которую нужно передать. Зубья сателлита соединены с шестернями полуосей, на которых находятся колеса. Вращения передается через него на полуоси. Именно работа сателлита играет важную роль в распределении скорости вращения между осями. Существует несколько типов его работы в зависимости от направления движения авто. Рассмотрим их подробно
Прямолинейное движение
В этом случае крутящий момент равномерно передается на колеса. Шестерня «спутника» не вращается вокруг своей оси. Вращение происходит только вместе с ведомой шестеренкой в том же направление. Мощность поровну делится между ведущими колесами. Они крутятся с одинаковой скоростью.
Видео как работает дифференциал при прямолинейном движении:
Поворачиваем налево или направо
Так как скорости колес должны быть разными для лучшего и безопасного прохождения поворота, в работу вступает сателлит. Он начинает крутиться вокруг своей оси, разделяя момент между полуосями в нужных пропорциях, для обеспечения необходимых скоростей вращения колес, чтобы ни одно из них не буксовало и не тормозило.
Направление вращения сателлита вокруг себя зависит от направления поворота. Влево – крутится в одну сторону, увеличивая скорость вращения правого колеса, вправо – в другую, придавая левому больший момент.
Видео как работает дифференциал при повороте автомобиля:
Движение по поверхности с разным коэффициентом сцепления
Я думаю, вы неоднократно видела, как автомобиль, находясь на льду, или грязи одним колесом буксовал. При этом второе колесо находилось на твердой поверхности, но оно стояло, и машина не могла тронуться с места. В этом «заслуга» дифференциала.
Нажимая на педаль газа, момент передается через механизм на сателлит, который сцеплен с полуосями. Колеса находятся на разных поверхностях с разными сцепными свойствами (лед и асфальт), ведомая шестерня начинает вращать «спутник». Он своими зубьями упирается в полуоси и пытается их провернуть. Так как для вращения одного колеса, стоящего на льду сил нужно меньше, а для асфальта больше, то сателлит начинает вращаться вокруг себя в сторону колеса с хорошим сцепления, не передавая на него мощности. Вся энергия уходит на проворот колеса с меньшим сцеплением. Получается, что колесо в ледяной ловушке крутиться, буксует свободно, а колесо на асфальте спокойно стоит без движения.
Именно такой принцип работы дифференциала заставило задуматься инженеров над модернизацией механизма. Что нужно сделать, чтобы не попасть в такую ситуацию? – Правильно, нужно заблокировать сателлит от вращения вокруг своей оси. В этом случае момент будет равномерно делиться между двумя колесами и то, которое находится на жесткой поверхности (асфальте), сможет вытянуть весь автомобиль. Таким образом, люди дошли до изобретения механизма блокировки дифференциала.
Что такое блокировка дифференциала в автомобиле
Это способ заблокировать сателлиты, чтобы исключить их вращение вокруг своей оси или соединить шестерню полуоси с корпусом дифференциала. Крутящий момент будет передаваться равномерно или в определенном соотношении между двумя полуосями ведущих колес. Существует два вида блокировок – жесткая и частичная.
В первом случае, все части дифференциала будут заблокированы, момент будет передаваться на все ведущие колеса. На многих внедорожниках этот режим называется «Lock». Второй вид – в нем используются дифференциалы повышенного трения. В них мощность передается в определенной пропорции между буксующим колесом и заблокированным. Чем быстрее вращается свободная ось, тем больше крутящего момента идет на «стоячее» колесо.
Жесткая или принудительная блокировка
Она активируется принудительным нажатием кнопки в салоне или физическим перемещением определенного элемента в механизме. В последнем случае водителю нужно было перемещать рычаг и при помощи тросов происходило смещение муфты, блокирующей ось колеса с корпусом дифференциала. В современных авто применяются пневматические, гидравлические или электрические привода. В некоторых случаях используется не межколесная блокировка, а межосевая, мощность передается между передними и задними колесами машины в соотношении 50:50, 50:40, в зависимости от настроек.
Частичная блокировка или LSD
LSD – этот термин означает, что в авто применяется дифференциалы ограниченного, частичного проскальзывания.
Они бывают:
Вязкостная муфта (вискомуфта). Состоит из набора дисков, часть которых закреплена с корпусом, вторая – с ведущим валом. Вся конструкция находится в герметичном корпусе, заполненном специальным силиконом. При увеличении скорости вращения ведущего вала выше скорости корпуса, диски на валу начинают мешать собой силикон. Он меняет свои свойства, становится вязким. Тем самым повышается коэффициент трения между дисками, дифференциал блокируется. При уравнивании скоростей, силиконовая смазка восстанавливает свою вязкость и диски разблокируются.
Дисковые муфты повышенного трения. В них вместо силикона применяются фрикционные диски. Часть находится на полуоси, часть на корпусе дифференциала. При прямолинейном движении колес весь механизм работает как одно целой. При проскальзывании одной из осей, за счет силы трения дисков он блокируется, передавая момент на оба колеса.
Червячные. Ярким примером является дифференциал Торсен. В его конструкции применяются сателлиты червячного типа, которые могут вращаться от червячных шестерен полуосей, а сами вращать их не могут – блокируются. При повышении угловой скорости одной оси происходит блокировка сателлитов и перераспределение мощности на колесо с хорошим сцеплением с дорогой. Чем быстрее проскальзывает колесо, тем больше момента передается на другую ось. Происходит автоматическая частичная блокировка дифференциала, без участия водителя. При выравнивании скоростей, червячные сателлиты разблокируются и механизм вернется в исходное состояние.
В последнее время на современных автомобилях появилась третий вид блокировок – имитация блокировки межколесного дифференциала. Здесь все происходит в автоматическом режиме. Система считывает данные с датчиков ABS о скорости вращения ведущих колес. Если они сильно различаются, то тормозная система «прикусывает» колесо, которое быстрее крутится, буксует, часть энергии вращения передается на колесо с хорошим сцеплением. В данных системах не применяются дорогие и сложные конструкции для блокировок, используется свободный дифференциал и электронная система с датчиками АБС – это удешевляет конструкцию и конечную стоимость автомобиля. Но эффективности в ней меньше, чем настоящих, физических блокировок. Подробнее о принципах работы разных типов дифференциалов поговорим в других статьях. Сейчас приведем основные недостатки таких блокировочных механизмов.
Недостатки
- Сложная конструкция, ведущая к дорогому ремонту
- Повышенные требования к обслуживанию
- Большой нагрев механизма, в результате повышенного трения элементов. При длительном использовании сокращается срок службы деталей и всего агрегата в целом
- Установка дополнительной электроники, контролирующей температуру элементов муфты и другие параметры, обеспечивающие надежность, долговечность механизма
Поэтому рекомендуется использовать блокировки только в тех случаях, когда нужно вытащить машину из снежной «ловушки» или грязи. Длительное применение этой технологии ведет к повышенному износу и выходу из строя дифференциала, а как следствие – дорогостоящему ремонту.
Заключение
Мы разобрались с вопросом, что такое дифференциал, как он работает и зачем он нужен. Узнали о его недостатках, и с какой целью его решили блокировать. Вкратце прошлись по существующим типам блокировок. Более детальный обзор будет в следующих статьях. Так что подписывайтесь, чтобы ничего не пропустить.
Видео по теме: