Открытый дифференциал. Как работают дифференциалы

Являясь неразрывно связанными между собой, оба они уже несколько столетий активно используются при решении практически всех задач, которые возникали в процессе научно-технической деятельности человека.

Возникновение понятия о дифференциале

Впервые разъяснил, что такое дифференциал, один из создателей (наряду с Исааком Ньютоном) дифференциального исчисления знаменитый немецкий математик Готфрид Вильгельм Лейбниц. До этого математиками 17 ст. использовалось весьма нечеткое и расплывчатое представление о некоторой бесконечно малой «неделимой» части любой известной функции, представлявшей очень малую постоянную величину, но не равную нулю, меньше которой значения функции быть просто не могут. Отсюда был всего один шаг до введения представления о бесконечно малых приращениях аргументов функций и соответствующих им приращениях самих функций, выражаемых через производные последних. И этот шаг был сделан практически одновременно двумя вышеупомянутыми великими учеными.

Исходя из необходимости решения насущных практических задач механики, которые ставила перед наукой бурно развивающаяся промышленность и техника, Ньютон и Лейбниц создали общие способы нахождения скорости изменения функций (прежде всего применительно к механической скорости движения тела по известной траектории), что привело к введению таких понятий, как производная и дифференциал функции, а также нашли алгоритм решения обратной задачи, как по известной (переменной) скорости найти пройденный путь, что привело к появлению понятия интеграла.

В трудах Лейбница и Ньютона впервые появилось представление о том, что дифференциалы - это пропорциональные приращениям аргументов Δх основные части приращений функций Δу, которые могут быть с успехом применены для вычисления значений последних. Иначе говоря, ими было открыто, что приращение функции может быть в любой точке (внутри области ее определения) выражено через ее производную как Δу = y"(x) Δх + αΔх, где α Δх - остаточный член, стремящийся к нулю при Δх→0, гораздо быстрее, чем само Δх.

Согласно основоположникам матанализа, дифференциалы - это как раз и есть первые члены в выражениях приращений любых функций. Еще не обладая четко сформулированным понятием предела последовательностей, они интуитивно поняли, что величина дифференциала стремится к производной функции при Δх→0 - Δу/Δх→ y"(x).

В отличие от Ньютона, который был прежде всего физиком, и рассматривал математический аппарат как вспомогательный инструмент исследования физических задач, Лейбниц уделял большее внимание самому этому инструментарию, включая и систему наглядных и понятных обозначений математических величин. Именно он предложил общепринятые обозначения дифференциалов функции dy = y"(x)dx, аргумента dx и производной функции в виде их отношения y"(x) = dy/dx.

Современное определение

Что такое дифференциал с точки зрения современной математики? Он тесно связан с понятием приращения переменной величины. Если переменная y принимает сначала значение y = y 1 , а затем y = y 2 , то разность y 2 ─ y 1 называется приращением величины y.

Приращение может быть положительным. отрицательным и равным нулю. Слово «приращение» обозначается Δ, запись Δу (читается «дельта игрек») обозначает приращение величины y. так что Δу = y 2 ─ y 1 .

Если величину Δу произвольной функции y = f (x) возможно представить в виде Δу = A Δх + α, где у A нет зависимости от Δх, т. е. A = const при данном х, а слагаемое α при Δх→0 стремится к нему же еще быстрее, чем само Δх, тогда первый («главный») член, пропорциональный Δх, и является для y = f (x) дифференциалом, обозначаемымdy или df(x) (читается «дэ игрек», «дэ эф от икс»). Поэтому дифференциалы - это «главные» линейные относительно Δх составляющие приращений функций.

Механическое истолкование

Пусть s = f (t) - расстояние прямолинейно движущейся от начального положения (t - время пребывания в пути). Приращение Δs - это путь точки за интервал времени Δt, а дифференциал ds = f" (t) Δt - это путь, который точка прошла бы за то же время Δt, если бы она сохранила скорость f"(t), достигнутую к моменту t. При бесконечно малом Δt воображаемый путь ds отличается от истинного Δs на бесконечно малую величину, имеющую высший порядок относительно Δt. Если скорость в момент t не равна нулю, то ds дает приближенную величину малого смещения точки.

Геометрическая интерпретация

Пусть линия L является графиком y = f (x). Тогда Δ х= MQ, Δу = QM" (см. рисунок ниже). Касательная MN разбивает отрезок Δу на две части, QN и NM". Первая пропорциональна Δх и равна QN = MQ∙tg (угла QMN) = Δх f "(x), т. е QN есть дифференциал dy.

Вторая часть NM"дает разность Δу ─ dy, при Δх→0 длина NM" уменьшается еще быстрее, чем приращение аргумента, т.е у нее порядок малости выше, чем у Δх. В рассматриваемом случае, при f "(x) ≠ 0 (касательная не параллельна ОХ), отрезки QM"и QN эквивалентны; иными словами NM" уменьшается быстрее (порядок малости ее выше), чем полное приращение Δу = QM". Это видно на рисунке (с приближением M"к М отрезок NM"составляет все меньший процент отрезка QM").

Итак, графически дифференциал произвольной функции равен величине приращения ординаты ее касательной.

Производная и дифференциал

Коэффициент A в первом слагаемом выражения приращения функции равен величине ее производной f "(x). Таким образом, имеет место следующее соотношение - dy = f "(x)Δх, или же df (x) = f "(x)Δх.

Известно, что приращение независимого аргумента равно его дифференциалу Δх = dx. Соответственно, можно написать: f "(x) dx = dy.

Нахождение (иногда говорят, «решение») дифференциалов выполняется по тем же правилам, что и для производных. Перечень их приведен ниже.

Что более универсально: приращение аргумента или его дифференциал

Здесь необходимо сделать некоторые пояснения. Представление величиной f "(x)Δх дифференциала возможно при рассмотрении х в качестве аргумента. Но функция может быть сложной, в которой х может быть функцией некоторого аргумента t. Тогда представление дифференциала выражением f "(x)Δх, как правило, невозможно; кроме случая линейной зависимости х = at + b.

Что же касается формулы f "(x)dx= dy, то и в случае независимого аргумента х (тогда dx = Δх), и в случае параметрической зависимости х от t, она представляет дифференциал.

Например, выражение 2 x Δх представляет для y = x 2 ее дифференциал, когда х есть аргумент. Положим теперь х= t 2 и будем считать t аргументом. Тогда y = x 2 = t 4 .

Это выражение не пропорционально Δt и потому теперь 2xΔх не является дифференциалом. Его можно найти из уравнения y = x 2 = t 4 . Он оказывается равен dy=4t 3 Δt.

Если же взять выражение 2xdx, то оно представляет дифференциал y = x 2 при любом аргументе t. Действительно, при х= t 2 получим dx = 2tΔt.

Значит 2xdx = 2t 2 2tΔt = 4t 3 Δt, т. е. выражения дифференциалов, записанные через две разные переменные, совпали.

Замена приращений дифференциалами

Если f "(x) ≠ 0, то Δу и dy эквивалентны (при Δх→0); при f "(x) = 0 (что означает и dy = 0), они не эквивалентны.

Например, если y = x 2 , то Δу = (x + Δх) 2 ─ x 2 = 2xΔх + Δх 2 , а dy=2xΔх. Если х=3, то имеем Δу = 6Δх + Δх 2 и dy = 6Δх, которые эквивалентны вследствие Δх 2 →0, при х=0 величины Δу = Δх 2 и dy=0 не эквивалентны.

Этот факт, вместе с простой структурой дифференциала (т. е. линейности по отношению к Δх), часто используется в приближенных вычислениях, в предположении, что Δу ≈ dy для малых Δх. Найти дифференциал функции, как правило, легче, чем вычислить точное значение приращения.

Например, имеем металлический куб с ребром х=10,00 см. При нагревании ребро удлинилось на Δх = 0,001 см. Насколько увеличился объем V куба? Имеем V = х 2 , так что dV = 3x 2 Δх = 3∙10 2 ∙0/01 = 3 (см 3). Увеличение объема ΔV эквивалентно дифференциалу dV, так что ΔV = 3 см 3 . Полное вычисление дало бы ΔV =10,01 3 ─ 10 3 = 3,003001. Но в этом результате все цифры, кроме первой ненадежны; значит, все равно, нужно округлить его до 3 см 3 .

Очевидно, что такой подход является полезным, только если возможно оценить величину привносимой при этом ошибки.

Дифференциал функции: примеры

Попробуем найти дифференциал функции y = x 3 , не находя производной. Дадим аргументу приращение и определим Δу.

Δу = (Δх + x) 3 ─ x 3 = 3x 2 Δх + (3xΔх 2 + Δх 3).

Здесь коэффициент A= 3x 2 не зависит от Δх, так что первый член пропорционален Δх, другой же член 3xΔх 2 + Δх 3 при Δх→0 уменьшается быстрее, чем приращение аргумента. Стало быть, член 3x 2 Δх есть дифференциал y = x 3:

dy=3x 2 Δх=3x 2 dx или же d(x 3) = 3x 2 dx.

При этом d(x 3) / dx = 3x 2 .

Найдем теперь dy функции y = 1/x через ее производную. Тогда d(1/x) / dx = ─1/х 2 . Поэтому dy = ─ Δх/х 2 .

Дифференциалы основных алгебраических функций приведены ниже.

Приближенные вычисления с применением дифференциала

Вычислить функцию f (x), а также ее производную f "(x) при x=a часто нетрудно, а вот сделать то же самое в окрестности точки x=a бывает нелегко. Тогда на помощь приходит приближенное выражение

f(a + Δх) ≈ f "(a)Δх + f(a).

Оно дает приближенное значение функции при малых приращениях Δх через ее дифференциал f "(a)Δх.

Следовательно, данная формула дает приближенное выражение для функции в конечной точке некоторого участка длиной Δх в виде суммы ее значения в начальной точке этого участка (x=a) и дифференциала в той же начальной точке. Погрешность такого способа определения значения функции иллюстрирует рисунок ниже.

Однако известно и точное выражение значения функции для x=a+Δх, даваемое формулой конечных приращений (или, иначе, формулой Лагранжа)

f(a+ Δх) ≈ f "(ξ) Δх + f(a),

где точка x = a+ ξ находится на отрезке от x = a до x = a + Δх, хотя точное положение ее неизвестно. Точная формула позволяет оценивать погрешность приближенной формулы. Если же в формуле Лагранжа положить ξ = Δх /2, то хотя она и перестает быть точной, но дает, как правило, гораздо лучшее приближение, чем исходное выражение через дифференциал.

Оценка погрешности формул при помощи применения дифференциала

В принципе неточны, и привносят в данные измерений, соответствующие ошибки. Их характеризуют предельной или, короче, предельной погрешностью - положительным числом, заведомо превышающим эту ошибку по абсолютной величине (или в крайнем случае равным ей). Предельной называют частное от ее деления на абсолютное значение измеренной величины.

Пусть точная формула y= f (x) использована для вычисляения функции y, но значение x есть результат измерения и поэтому привносит в y ошибку. Тогда, чтобы найти предельную абсолютную погрешность │‌‌Δу│функции y, используют формулу

│‌‌Δу│≈│‌‌dy│=│ f "(x)││Δх│,

где │Δх│является предельной погрешностью аргумента. Величину │‌‌Δу│ следует округлить в сторону увеличения, т.к. неточной является сама замена вычисления приращения на вычисление дифференциала.

Дифференциал – это важный узел в конструкции трансмиссии автомобиля. Назначение дифференциала – разделение мощности, поступающей от двигателя, на два отдельных потока.

Что такое дифференциал и для чего он нужен

При повороте колеса автомобиля проходят различный путь. Это приводит к сильному износу шин, пробуксовке и к ухудшению управляемости машины. Дифференциал нужен, чтобы компенсировать разность угловых скоростей колес.

На некоторых автомобилях этого узла нет. Зачем нужен дифференциал, если, например, каждое из ведущих колес на машине имеет отдельный двигатель? Если допустима пробуксовка колес (например, в раллийных автомобилях), узел заваривается.

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.

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.

Межколесный ставится на автомобили как с одной, так и с двумя ведущими осями. На переднеприводных авто из-за отсутствия карданной передачи узел стоит сразу за КПП (либо они совмещены в одном корпусе). На машинах с задним приводом он устанавливается в редукторе.

Межосевой ставят на автомобили с полным приводом. Он распределяет мощность уже не между колесами, а между двумя осями. Данный узел задействует при подъёмах и спусках. Из-за наклона авто масса перераспределяется и одна из осей нагружается больше.

Большинство полноприводных авто оборудовано сразу 3 дифференциалами (2 – межколесных и 1 - межосевой). В то же время для машины с одной ведущей осью достаточно всего 1-го межколесного узла.

Виды автомобильных дифференциалов

Виды дифференциалов по принципу работы таковы:

Заключение

Автомобиль с дифференциалом безопаснее. Устройство позволяет не только комфортно ехать по трассе, но и выполнять сложные маневры. Однако при езде по бездорожью и скользкому покрытию управляемостью машины с дифференциалом может ухудшиться. В этом случае поможет блокировка компонента. Большинство автомобилей оснащено автоматической блокировкой, поэтому сложностей с ее использованием не возникает. Если же она активируется вручную, включать ее следует только на особенно сложных участках дороги. В противном случае есть риск серьезно повредить покрышки.

Дифференциал является частью трансмиссии – системы, которая связывает мотор с ведущими колесами автомобиля. Этот механизм участвует в передаче вращательных усилий (крутящего момента) от двигателя к колесам, но главная его функция состоит в том, что он обеспечивает вращение колес при повороте авто с различной угловой скоростью.

В отсутствие дифференциала колеса автомобиля при прохождении поворота вращаются с одной и той же скоростью, что приводит к пробуксовке колеса, которое перемещается по большему внешнему диаметру поворотной дуги. Такой эффект крайне отрицательно сказывается на управляемости авто и приводит к быстрому износу покрышек.

В современном автомобилестроении используется три варианта размещения дифференциальной коробки в блоке трансмиссии:

• в авто с ведущими задними колесами (задним приводом) - в зоне задней оси;
• в машинах с передним приводом - непосредственно в самой коробке перемены передач;
• в полноприводных автомобилях (4WD) дифференциальное устройство может располагаться как в самой раздаточной коробке, так и в зонах обоих осей.

Устройство дифференциала

Базой конструкции дифференциального устройства является планетарный редуктор. В зависимости от того, какие зубчатые шестерни (передачи) используются для вращения колес, дифференциал делится на три разных вида:

• конический;
• цилиндрический;
• червячный.

Наибольшее распространение получила коническая зубчатая передача и, соответственно, конический дифференциал. Он традиционно монтируется между двух осей автомобилей с полным приводом, а не между колесами, как это возможно с иными видами.

Основные элементы конструкции одинаковы у всех типов дифференциалов, поэтому рассмотрим строение узла на примере конического механизма.

Дифференциальный механизм конического типа состоит из следующих элементов:

• планетарный редуктор;
• шестерни с сателлитами;
• корпус устройства.

На профессиональном сленге инженеров автомобилестроения и специалистов сервисных центров корпус дифференциального устройства называется «чашкой». Его основное назначение - принять вращательные усилия двигателя и передать их через сателлиты на шестерни. К поверхности чашки прикреплена ведомая шестерня ведущей передачи, а внутри чашки смонтированы оси, на которых перемещаются сателлиты. Собственно говоря, именно они и выполняют сцепление чашки (корпуса) и шестеренок. В легковых транспортных средствах традиционно применяется всего одна пара сателлитов, в грузовых - две, так как требуется передавать особенно высокий крутящий момент.

Получив энергию от сателлитов, шестерни начинают движение по оси и передают тот же крутящий момент без изменений на ведущую пару колес. В результате транспортное средство приходит в движение.

Шестерни, расположенные на осях, могут иметь равное или разное количество зубцов (шлицев). Если число зубцов равное, то шестерня образует симметричный дифференциал – крутящий момент распределяется по осям в равных соотношениях. Если же количество зубьев не равное, то происходит несимметричная раздача энергии на колеса, что обеспечивает повышенную проходимость в сложных дорожных условиях.

Функциональность дифференциального устройства

Симметричный дифференциал может функционировать в одном из трех доступных режимов.

Основной режим - это езда в направлении «прямо». В данном режиме колеса встречают одинаковую силу дорожного сопротивления и, соответственно, получают одинаковый крутящий момент.

При вхождении в поворот режим работы дифференциала изменяется. Даже незначительный поворот влево или вправо ведет к тому, что внутреннее колесо испытывает большее сопротивление, нежели внешнее. Чтобы сгладить этот дефект, внутренняя шестеренка замедляет свой ход и, тем самым, заставляет сателлиты двигаться в другом направлении, что увеличит амплитуду вращения наружной полуосевой шестерни. Из-за этого изменяется угловая скорость вращения двух ведущих колес, за счет чего осуществляется плавное вхождение в поворот

Третий режим в работе дифференциального устройства включается при езде по льду или иной скользящей поверхности. Одно из ведущих колес начинает испытывать сопротивление, а второе - нет. Дифференциал в таких случаях заставляет двигаться проскальзывающее колесо с максимальной скоростью, а на второе колесо подача крутящего момента приостанавливается. После прохождения препятствия требуется уравнять подачу энергии на колесную пару, для чего может потребоваться блокировка дифференциала.

Как отмечают специалисты в ГК Favorit Motors, сегодня крупные европейские и американские автопроизводители используют собственные разработки в области дифференциалов. Например, предлагаемые модели автомобилей Cadillac (система Controlled), Chevrolet (дифференциал Positraction) и Ford (механизмы Equa-Lock и Traction-Lok) применяют в трансмиссии исключительно свои модели распределяющих механизмов.

Виды современных дифференциалов

• Quaife (Квайф)

Это одно из самых конструктивно простых устройств, которое составлено из планетарного редукторного механизма (в плоском исполнении) и схемы со сдвоенными сателлитами, которые при работе сцепляются между собой. Используется косозубое сцепление, которое под большой нагрузкой выдает осевые мощности и передает их на пары сателлитов. Благодаря дополнительному вращению нужного ряда сателлитов при поворотах или пробуксовке на скользкой поверхности удается достигнуть торможения одного колеса и придать энергию другому.

Дифференциал Quaife подразумевает использование сразу пяти пар сателлитов для максимальной надежности сцепления косых зубьев между собой. Это, с одной стороны, позволяет эффективно использовать механизм в самых сложных дорожных условиях. А, с другой стороны, говорит о том, что со временем будет наблюдаться обширный износ всей конструкции в целом.

Тип дифференциального механизма Quaife был запатентован еще в 1965 году. Сегодня он преимущественно используется в гоночных или спортивных автомобилях, а также некоторых моделях переднеприводных машин.

• Torsen (Торсен)

Это довольно старый вид червячного дифференциального устройства, он был изобретен еще в 1950-х годах. На сегодняшний день автопроизводители используют 3 усовершенствованных разновидности дифференциала Torsen, однако все они имеют примерно одинаковый принцип работы. Шестерни, которые расположены на ведущих полуосях, образуют так называемую червячную пару с сателлитами. При этом, что существенно, на каждой полуоси располагаются свои сателлиты, которые парами сцепляются в некоторых положениях с сателлитами другой полуоси.

При движении вперед по прямой червячные пары находятся в остановленном положении, а при движении в повороте они проворачиваются. Очередной проворот по оси обеспечивает изменение угла колеса при поворотах и разворотах. Дифференциал Torsen считается самым мощным и износостойким, он работает при максимальной нагрузке и соотношениях крутящего момента.

• Механизм с дисковой блокировкой

Этот вид дифференциального устройства состоит из симметричного планетарного редукторного механизма, который закреплен на шестеренках конической формы. Шестерни имеют две маленькие муфты той же формы и два диска. Частично диски могут цепляться за саму чашку дифференциала, а частично - соприкасаться со сцеплением, которое работает при воздействии ведомой шестеренки.

Суть блокировки дифференциала заключается в том, что при возрастании механической силы на шестерни появляются вторичные осевые мощности. Дополнительные силы стремятся разъединить стыки между шестернями. В тот момент, когда им это удается, выравнивается скорость каждого из колес в связи с тем, что угловые скорости приобретают одно и то же значение.

Дифференциал с дисковой блокировкой появился еще в конце 1930-х годов, однако после значительной модернизации используется и сегодня - обычно на внедорожниках и спорткарах.

• Дифференциал кулачкового типа

Кулачковый дифференциал может иметь 2 варианта исполнения. Первый подразумевает расположение кулачковой муфты между двумя ведомыми шестеренками. В кулачковом механизме второго типа зубчатых колес нет в принципе – водилом здесь является сепараторное кольца, а функцию сателлитов выполняют «сухари» (специальные клинья). Ведомыми шестернями в этом случае являются кулачковые диски.

Принцип конструкции кулачкового дифференциала второго типа понятен из нижеприведенной схемы, где 1 – это корпус, 2 – обойма, 3 –сухарь, 4 и 5 – полуосевые звездочки. «Сухари» могут располагаться горизонтально (рисунок а) или радиально (рисунок б)

Суть блокировки дифференциального устройства заключается в том, что как только начинает наблюдаться разница между скоростными углами, кулачковая муфта (или кулачковые диски - во втором варианте исполнения) сразу же блокируют дифференциал.

Начальные разработки такого типа механизмов появились в 1940-х годах. В легковых транспортных средствах такой тип дифференциалов сегодня практически не используется. Основная сфера применения кулачкового типа - в военном автомобилестроении.

• Вискомуфта (вязкостная муфта)

Дифференциал конструктивно имеет на одной из ведущих полуосей емкость, наполненную вязкой жидкостью. В ней находятся 2 дисковых блока, первый из которых соединен с ротором, а второй - с другой полуосевой. Соответственно, чем больше будет разница в наборе скорости между колесами, тем больше будет становиться разница и в скорости движениях блоков дисков. Из-за вращения вязкость жидкости увеличивается.

Это самая простая и в то же время бюджетная конструкция дифференциального устройства. По оценкам специалистов ГК Favorit Motors устройство преимущественно устанавливается на городские паркетники, так как в условиях бездорожья вискомуфта не может обеспечить требуемую управляемость и проходимость.

Два типа принудительной блокировки дифференциала

В современных транспортных средствах используется как ручной, так электронный вариант блокировки дифференциала. У каждого из них есть свои преимущества. Ручная блокировка дифференциального механизма осуществляется непосредственно из салона авто. По команде водителя ступорятся вращающиеся шестерни и колеса начинают двигаться в одном темпе.

Такой тип применим перед преодолением разного рода дорожных препятствий в виде глубокого снега, грязи, ям или горок. После прохождения сложных участков можно проводить разблокировку. Традиционно ручная блокировка дифференциального устройства применяется на вездеходных транспортных средствах и внедорожниках.

Если автомобиль снабжен новой системой TRC, то автоматика сама производит электронную блокировку. В том случае, если одно из ведущих колес начинает буксовать, то оно будет слегка подтормаживаться тормозом авто. Удобство такого типа неоспоримо, однако не всегда блокировка будет включаться в нужный момент.

Вне зависимости от того, какой именно тип дифференциального устройства установлен на вашем автомобиле, специалисты ГК Favorit Motors могут предложить диагностику и обслуживание машины с учетом конструктивных особенностей механизма блокировки. Грамотный подход сочетается с опытностью мастеров, а стоимость профессиональных услуг считается одной из самых привлекательных по Москве.

Самые распространенные симптомы неисправности дифференциала – повышенная шумность, посторонний стук и удары, появление подтеков масла. Мастера автосервиса Favorit Motors отмечают, что важно незамедлительно обратиться в техцентр, чтобы устранить проблемы в работе устройства и избежать его дальнейшего разрушения. Какой бы сложной ни была неисправность, мастера сервисного центра Favorit Motors обладают всем необходимым диагностическим оборудованием и огромным опытом работы, что позволяет быстро и качественно устранить поломку. Сотрудники регулярно проходят переобучение в учебных центрах автопроизводителей, что позволяет им выполнять ремонтно-восстановительные работы любой сложности.

Дифференциал в автомобиле работает с целью осуществления следующих трёх задач:

1. Дифференциал передаёт мощность двигателя на колёса машины.
2. Делает последний шаг в уменьшении числа оборотов к колёсам (мы ведь помним, что первый такой шаг делает коробка передач) и, следовательно, увеличивая крутящий момент , передаваемый тем же ведущим колёсам.
3. Передавая мощность на ведущие колёса (всегда на чётное количество колёс на одной оси: на два или на все четыре), дифференциал позволяет каждому из них вращаться с разными скоростями (это именно то, от чего дифференциал заработал своё название).

В этой статье Вы узнаете, почему Ваш автомобиль нуждается в разных оборотах вращения колёс, как это обеспечивается, что такое дифференциал, как дифференциал работает и каковы его основные недостатки. Мы также рассмотрим несколько его типов.

Для чего нужен дифференциал?

Автомобильные колёса вращаются с разной скоростью, особенно это заметно при повороте. Вы можете видеть в анимации ниже, что каждое колесо проезжает очень разное расстояние, когда автомобиль поворачивает, и что внутренние колёса проезжают гораздо более короткое расстояние, чем внешние. Поскольку скорость равна расстоянию, поделённому на время, необходимое для проезда этого расстояния, то получается, что колёса, которые проезжают меньшее расстояние, вращаются с более низкой скоростью: так, при повороте налево левые колёса будут крутиться медленнее, чем правые, и наоборот. Также следует отметить, что передние колёса проезжают расстояние, отличающееся от того, которое проезжают задние колёса.

Кликните для просмотра анимации

Для автомобилей с приводом только на одну ось колёс - будь то на задние колёса или же на передние - разность вращения передних колёс к задним это не проблема. Нет никакой связи между ними, поэтому они вращаются независимо. Но ведущие колёса связаны между собой так, чтобы один двигатель и трансмиссия должны приводить в движение оба колеса, при этом, с разной скоростью их вращения. Но как же быть, если двигатель у нас всего один?! Если Ваш автомобиль не оснащён дифференциалом, колёса должны быть заблокированы вместе, будучи вынужденными вращаться с одной и той же скоростью. Это сделало бы манёвры поворотов - даже под небольшим углом - сложными: у таких автомобилей, чтобы иметь возможность повернуть, одной из шин обязательно придётся скользить, либо другой обязательно пробуксовывать. А с современными покрышками и асфальтовыми дорогами для этого потребуется достаточно много сил. Эта сила должна будет передаваться через ось от одного колеса к другому, возложив, таким образом, очень тяжёлое бремя на компоненты оси.

Именно с этой проблемой безукоризненно справляется дифференциал.

Что такое дифференциал?

Дифференциал - это устройство, которое разделяет крутящий момент двигателя на два пути с выходами, что позволяет каждому выходу вращаться с различной скоростью.

Дифференциал имеется на всех современных легковых и грузовых автомобилях, а также на многих полноприводных машинах. Причём, все полноприводные авто должны иметь дифференциал между каждым набором ведущих колёс на одной оси, и, кроме того, они нуждаются в дифференциале между парами передних и задних колёс (помните начало статьи - потому что передние колёса проходят другую дистанцию, в отличие от задних колёс при движении автомобиля по направлению, отличному от прямого?).

Тем не менее, некоторые полноприводные машины не имеют дифференциала между передними и задними колёсами, и, вместо этого, эти пары колёс тесно связаны между собой так, что передние и задние колёса должны крутиться с одной и той же скоростью. Вот почему на таких автомобилях производители не рекомендуют ездит по твёрдому покрытию в режиме полного привода, а включать его только на бездорожье.

А теперь давайте выясним, в каком месте автомобиля обычно располагается дифференциал в зависимости от типа привода автомобиля:

Как работает дифференциал?

Мы начнем с простейшего типа дифференциала, называемого открытым дифференциалом . Но сначала мы должны изучить некоторые термины - посмотрите на рисунок ниже, там Вы найдёте основные компоненты работы дифференциала:

Таким образом, дифференциал состоит из следующих основных частей:

1. Ведущий вал - передаёт крутящий момент, ведя его от коробки передач к началу дифференциала
2. Ведущая шестерня ведущего вала - косозубая небольшая шестерня в форме конуса, которая используется для сцепки с механизмом дифференциала
3. Коронная шестерня - ведомая шестерня также в форме конуса, которая приводится в движение (вращение) ведущей шестерней. Ведущая и ведомая шестерня, вместе взятые, называются главной передачей и именно они служат последним этапом уменьшения скорости вращения, которое в конечном счёте достигнет колёс (коронная шестерня всегда меньше ведущей, а, значит, ведущей шестерне придётся сделать намного больше оборотов, пока ведомая сделает всего один оборот вокруг себя).
4. Шестерни полуосей - это последние шестерни на пути передачи вращения от ведущего вала к колёсам.
5. Сателлиты - планетарный механизм, который как раз и осуществляет ключевую роль в обеспечении разности вращения колёс при повороте.
6. Полуоси - валы, идущие от дифференциала непосредственно к колёсам.

А теперь давайте перейдём к ключевому и самому важному понимаю, как работает дифференциал, и посмотрим на анимации ниже, как вышеперечисленные компоненты открытого дифференциала работают в двух случаях:

• Когда автомобиль едет прямо.
• Когда автомобиль поворачивает.

Посмотрите сами - всё достаточно просто:

Нажмите на кнопку "Поворачиваем", чтобы увидеть, как работает дифференциал во время поворота, и "Едем прямо", чтобы посмотреть, как движутся его компоненты во время прямолинейного движения

Как мы видим, когда мы едем прямо на своей машине, то фактически весь механизм дифференциала крутится с одной скоростью: частота вращения входного вала равна частоте вращения полуосей и, соответственно, частоте вращения колёс. Но стоит нам немного повернуть руль, как ситуация меняется, и в свою главную роль вступают теперь сателлиты, которые разблокируются за счёт разности нагрузки на колёса (когда одно колесо пытается пробуксовать, крутясь быстрее), и вся мощность от двигателя теперь проходит через них. А за счёт того, что два сателлита - это две независимые шестерни, получается, что они и передают разную частоту вращения полуосям, как бы раздваивая её, но не деля всю мощность поровну, а передавая наибольшую мощность тому колесу, которое движется по внешнему краю во время поворота автомобиля и, соответственно, раскручивая его сильнее (повышая его количество оборотов). И разность передаваемой мощности при этом тем сильнее, чем круче поворачивает машина (точнее, чем меньше радиус поворота этой машины).

Какой главный недостаток дифференциала?

Открытый дифференциал передаёт вращение тому или иному колесу практически в любом соотношении, в том числе и в соотношении 100%/0% - когда одно из ведущих колёс принимает весь крутящий момент на себя. В то же время распределение такого вращения между колёсами происходит при изменении нагрузки на эти колёса (а вместе с ними на полуоси) - то есть колесо с меньшей нагрузкой в повороте получает больше вращения. Но здесь кроется один существенный недостаток, который имеет место при определённых условиях, а именно, когда оба ведущих колеса находятся в грязи, снегу или на льду, и автомобиль начинает буксовать - в этом случае то колесо, которое имеет меньшее сцепление с поверхностью, будет получать львиную долю вращения. Проще говоря, если Вы, к примеру, застряли в снегу , сев "на пузо" - когда одно колесо сцеплено с поверхностью снега, а второе вовсе висит в воздухе, то получать мощность за счёт соответствующего распределения по полуосям дифференциала будет как раз то колесо, которое находится на весу, и именно оно будет беспомощно крутиться в воздухе. Особенно остро данная проблема стоит у внедорожников и вездеходов.

Какие виды дифференциалов бывают?

Решением этих проблем является дифференциал повышенного трения (LSD, его ещё называют дифференциалом с ограниченным проскальзыванием ). Дифференциалы повышенного трения используют различные механизмы для обеспечения нормального дифференциального действия в различных условиях езды. Когда колесо скользит, такой дифференциал позволяет передать больше крутящего момента как раз на нескользящее колесо.

На внедорожниках и вездеходах также применяются дифференциалы с ручным отключением, которые, впрочем, очень часто не защищены от случайного отключения или отключения не в то время по незнанию - дело в том, что возможность отключения дифференциала на ходу влечёт за собой возможную его поломку, и это распространённая проблема.

Что такое вискомуфта (вязкая муфта)?

Вискомуфта чаще всего встречается во всех полноприводных машинах. И, если Вы читали статью о принципе работы гидротрансформатора , то знайте, что вискомуфта имеет схожую с ним схему работы. Она широко используется для связи задних колёс с передними таким образом, что когда один набор колёс начинает проскальзывать, крутящий момент будет передан на другой набор, тем самым решая злободневную проблему буксующего колеса, описанную выше.

Вязкая муфта имеет два набора пластин внутри герметичного корпуса, который заполнен вязкой жидкостью (несколько более вязкой, чем трансмиссионное масло , к примеру). Один набор пластин соединён с каждым выходным валом. В нормальных условиях оба набора пластин и их порция вязкой жидкости движутся с одной и той же скоростью. Но когда одна ось пытается вращаться быстрее, возможно, потому что она проскальзывает, множество пластин, соответствующих колёсам этой оси, вращаются быстрее, чем другие. Вязкая жидкость, находящаяся между пластинами, пытается догнать более быстрые диски, тем самым ведя за собой к этому и медленные диски. Это передает больший крутящий момент на медленнее вращающиеся колёса, которые как раз и не скользят.

Устройство вискомуфты

Когда автомобиль поворачивает, разница в скорости между колёсами на одной оси не так велика, как тогда, когда одно из колёс попросту проскальзывает. Чем быстрее пластины вращаются относительно друг друга, тем больше крутящего момента приходится на муфту. Муфта не мешает виткам крутиться, потому что величина крутящего момента, передаваемого во время поворота, мала.

Простой эксперимент с яйцом поможет объяснить поведение вискомуфты. Если Вы поставите яйцо на кухонный стол, скорлупа, белок и желток будут неподвижны. Но когда Вы начнёте раскручивать яйцо, скорлупа яйца будет двигаться с более высокой скоростью, чем белок, а белок немного быстрее, ем желток, но желток затем быстро наверстает упущенное. Кстати, чтобы убедиться в этих словах, проведите эксперимент, как только у Вас появится яйцо: раскрутите его достаточно быстро, а затем остановите его, потом просто отпустите яйцо, и оно начнёт снова вращаться (ну, или хотя бы дёрнется в сторону предыдущего вращения). В этом эксперименте мы использовали трение между скорлупой, белком и желтком, применяя силу только на скорлупу. Сначала мы раскрутили фактически скорлупу, и с некоторой задержкой за скорлупой за счёт трения начали раскручиваться белок, а затем и желток. А когда мы остановили скорлупу, то то же трение - между всё еще движущимся желтком, белком и скорлупой - применило силу к скорлупе, заставляя его ускориться. Так и в случае вискомуфты, сила передаётся между жидкостью и наборами пластин таким же образом, как между желтком, белком и скорлупой.

Что такое дифференциал Torsen?

Дифференциал Torsen является чисто механическим устройством: он не завязан никакой , а также муфтами или вязкими жидкостями и по своей сути представляет собой довольно простой механизм, очень схожий с открытым дифференциалом.

Torsen работает также, как и открытый дифференциал, когда величина крутящего момента между двумя ведущими колёсами равная. Но как только одно из колёс начинает терять сцепление с дорогой, разница в крутящем моменте приводит к блокировке вместе шестерен в дифференциале Torsen.

Такой дифференциал часто используется в мощных и очень мощных полноприводных машинах. Как и вискомуфта, он часто используется для передачи мощности между передними и задними колёсами. И в этом применении дифференциал Torsen превосходит вискомусту, потому что передаёт крутящий момент на колёса стабильно перед тем, как фактически начинается скольжение. Однако, если один набор колёс теряет сцепление с дорогой полностью, то дифференциал Torsen будет не в состоянии перенести крутящий момент на другой набор колёс из-за своей конструкции и принципа работы такого дифференциала.

Так выглядит современный дифференциал Torsen

Кстати, почти все автомобили Hummer используют дифференциал Torsen между передней и задней осями. При этом, руководство пользователя для Hummer предлагает новое решение проблемы, когда одно колесо полностью теряет сцепление с дорогой: нажимайте на педаль тормоза . Применяя тормоз, крутящий момент подаётся на колёса, которые находятся в воздухе, а затем переходят к колёсам, которые смогут вытащить автомобиль из "каши".

Дифференциал – это механизм трансмиссии, распределяющий подводимый к нему крутящий момент между приводными валами и позволяющий колесам вращаться с разными угловыми скоростями. Особенно это заметно, когда машина проходит поворот. Дифференциал обеспечивает безопасное и комфортное вождение на сухой дороге с твердым покрытием. Однако если автомобиль покинет ее пределы и продолжит двигаться по пересеченной местности, а также в случае гололеда (и других тяжелых погодных условий) этот механизм может лишить автомобиль возможности передвигаться. О том, что такое дифференциал, как он устроен, в чем его вред для внедорожников и как с этим бороться — пойдет речь ниже.

Дифференциал как часть трансмиссии

Дифференциал в автомобиле - это механизм, распределяющий крутящий момент карданного вала трансмиссии между ведущими колесами передней или задней оси (в зависимости от типа привода), позволяя каждому из них вращаться без пробуксовки. В этом заключается основное назначение дифференциала.

Ведуший мост с дифференциалом в разрезе

При прямолинейном движении, когда колеса нагружены одинаково и имеют равную угловую скорость вращения — механизм работает в качестве передаточного звена. Если условия движения изменяются (поворот, пробуксовка) — нагрузка становится неравномерной. У полуосей появляется необходимость вращаться с разными скоростями, и, как следствие, становится необходимым распределить полученный крутящий момент между ними в определенном соотношении. Тогда узел выполняет вторую важную функцию: обеспечение безопасного маневрирования автомобиля.

Схема расположения дифференциала зависит от типа привода автомобиля:

1. Передний привод – картер коробки передач.
2. Задний привод – корпус ведущего моста.
3. Полный привод – корпусы переднего и заднего мостов (для передачи крутящего момента ведущим колесам) или раздаточная коробка (для передачи крутящего момента ведущим мостам).

Дифференциал на автомобилях появился не сразу. Конструкторы первых «самодвижущихся экипажей» были очень озадачены плохой маневренностью своих изобретений. Вращение колёс с одинаковой угловой скоростью во время прохождения поворота приводило к тому, что одно из них начинало буксовать или, наоборот, полностью теряло контакт с дорогой. Инженеры вспомнили, что на ранних прототипах первых автомобилей, снабжаемых паровыми двигателями, было устройство, позволявшее избежать потери управляемости.

Механизм распределения вращающего момента изобрёл француз Онесифор Пеккёр. В устройстве Пеккёра присутствовали валы и шестерни. Через них крутящий момент от мотора поступал к ведущим колёсам. Но даже после применения изобретения Пёккера проблема пробуксовки колёс на поворотах не решилась полностью. Выявились недостатки системы. Например, одно из колес в какой-то момент терял сцепление с дорогой. Сильнее всего это проявлялось на обледенелых участках.

Пробуксовка в таких условиях часто приводила к авариям, поэтому конструкторы надолго задумались над тем, как предотвратить занос машины. Решение было найдено Фердинандом Порше. Он стал изобретателем кулачкового механизма, который ограничивал проскальзывание колёс ведущего моста. Немецкое устройство дифференциала нашло применение в автомобилях Volkswagen.

Как устроен дифференциал

Принципиальная схема дифференциала

Узел работает как планетарный редуктор. Принципиальное устройство дифференциала: шестерни полуосей (5) и сателлитов (4) размещены в чашке (3). Чашка (корпус) жестко соединена с ведомой шестерней (2), которая принимает крутящий момент от ведущей шестерни главной передачи (1). Корпус передает вращение посредством сателлитов полуосям, вращающим ведущие колеса. Разные угловые скорости обеспечиваются благодаря работе сателлитов. Величина крутящего момента остается неизменной.

Применение дифференциалов в зависимости от их видов

Устройства используют для передачи крутящего момента ведущим колесам и ведущим мостам автомобиля.

Грузовики и легковые автомобили всех типов приводов имеют межколесный дифференциал, передающий вращение колесам. Межосевой дифференциал, распределяющий крутящий момент между мостами, применяют исключительно в полноприводных машинах.

По типу применяемой зубчатой передачи различают следующие виды механизмов:

1. конический;
2. цилиндрический;
3. червячный.

По количеству зубьев шестерен полуосей:

1. симметричный;
2. несимметричный.

Благодаря его свойству пропорционально распределять крутящий момент несимметричный дифференциал с цилиндрической передачей устанавливают между мостами полноприводных автомобилей.

Заднеприводные и переднеприводные автомобили оснащают коническим симметричным дифференциалом.

Червячная передача, являясь самой универсальной, используется во всех типах устройств со всеми приводами.

Схема работы дифференциала

Рассмотрим принцип, по которому работает симметричный межколесный конический дифференциал, распределяющий крутящий момент между колесами в трех различных условиях:

1. прямолинейное движение;
2. поворот;
3. пробуксовка.

При прямолинейном движении

Прямолинейное движение характеризуется равномерным распределением нагрузки между колесами автомобиля. Они имеют одинаковую угловую скорость. Сателлиты, размещенные в корпусе, не вращаются вокруг своих осей. Они передают крутящий момент от ведомой шестерни главной передачи к полуосям через неподвижное зубчатое зацепление.

Работа дифференциала при повороте и прямолинейном движении

При повороте

Когда транспортное средство поворачивает, силы сопротивления и нагрузки распределяются следующим образом:

• Внутреннее колесо, имеющее меньший радиус от центра поворота, испытывает сопротивление большей силы, чем наружное. Увеличенная нагрузка заставляет его снизить скорость вращения.
• Наружное колесо, двигаясь по большему радиусу (большей траектории), наоборот, должно увеличить угловую скорость, чтобы автомобиль мог повернуть плавно, без пробуксовки.

Таким образом, колеса должны иметь разные угловые скорости. Замедление вращения полуоси внутреннего колеса приводит сателлиты в движение. Они, в свою очередь, посредством конической зубчатой передачи увеличивают скорость вращения полуоси наружного колеса. Крутящий момент, получаемый от главной передачи, остается неизменным.

При пробуксовке

Колеса автомобиля, движущегося даже прямолинейно по скользкой дороге или бездорожью, могут испытывать различную нагрузку: одно из них пробуксовывает, теряя сцепление с дорогой; другое, становясь более нагруженным, замедляется. Повторяется схема поворота. Только теперь она приносит вред: буксующее колесо может получить 100% принятого дифференциалом крутящего момента, а нагруженное вообще перестанет вращаться. Движение автомобиля прекратится.

Эти недостатки работы узла решаются различными способами:

• ручной или автоматической блокировкой;
• внедрением системы курсовой устойчивости.

Блокировка дифференциала и система курсовой устойчивости

Принудительная блокировка дифференциала с гидравлическим приводом

Чтобы крутящий момент полуосей снова стал одинаковым, нужно блокировать действие сателлитов или обеспечить его передачу от чашки на нагруженную полуось.

Это особенно актуально для машин повышенной проходимости, имеющих полный привод 4Х4. Не только потому что они предназначены для езды по местности с тяжелыми дорожными условиями. Стоит машине, оснащенной тремя дифференциалами (два межколесных, один межосевой), хотя бы в одной из четырех точек потерять сцепление – величина крутящего момента остальных колес устремится к нулевому значению, и машина откажется ехать.

Избежать неприятностей помогает блокировка, которая может быть либо частичной, либо полной (зависит от степени перераспределения усилий между полуосями), а также либо ручной, либо автоматической (зависит от степени контроля со стороны водителя).

Наиболее сложным совершенным способом устранить недостатки узла является электронная блокировка, реализуемая на базе системы курсовой устойчивости, датчики которой контролирует все необходимые параметры во время движения автомобиля. На основе полученных данных работа автомобиля корректируется автоматически.

Безопасность прежде всего

Дифференциал создан для обеспечения безопасного комфортного маневрирования на трассе. Описанные выше недостатки касаются езды в экстремальных условиях, а также по пересеченной местности. Поэтому если на автомобиле установлен привод ручной блокировки, использовать его нужно исключительно в соответствующих дорожных условиях. А шоссейные автомобили, которые сложно «уговорить» ехать медленнее 100 км/час, эксплуатировать без дифференциала вообще невозможно и даже опасно. Такой вот нехитрый, но бесконечно важный механизм в трансмиссии.