Дифференциал (механика)

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск
Устройство дифференциала (центральная часть)
Задний ведущий мост, в нём стоит дифференциал.

Дифференциа́л (от лат. differentia – разность, различие) — механизм в составе трансмиссий транспортных и (реже) технологических машин по передаче мощности посредством вращения с одновременным делением единого потока мощности на два дифференциально связанных или суммированием двух независимых потоков мощности в один. Особенность дифференциала и смысл его термина в том, что деление/суммирование потоков мощности этот механизм производит именно дифференциально: каждый из двух исходящих/входящих потоков может в любое время получать/давать от 0 до 100% мощности относительно единого на входе/выходе (с поправкой на КПД дифференциала), а соотношение этих мощностей между собой может быть любое в пределах этих 100%.

В каноническом чисто механическом виде представляет собой планетарную передачу, состоящую из одного простого трёхзвенного плоского или пространственного планетарного механизма без каких-либо управляющих элементов (тормозов или фрикционов). Фактические дифференциалы, исходя из своих задач в трансмиссии, могут быть дополнены планетарными рядами и управляющими элементами. Однако в последнее время получили распространение чисто фрикционные устройства, выполяющие функции дифференциала — вискомуфты.

В отличие от мощности и угловой скорости вращения крутящий момент дифференциалом делится жёстко и неизменно. Отсюда такие термины как симметричный дифференциал (момент делится в соотношении 50/50) или несимметричный (момент делится в любых неравных соотношениях). При суммировании крутящие моменты на дифференциале также складываются в один по определённым принципам.

С точки зрения механики, любой дифференциал имеет две и только две степени свободы. Механизм, выполняющий функции дифференциала и имеющий три степени свободы, правильнее называть двойным дифференциалом (четыре — тройным, и так далее).

Назначение[править | править вики-текст]

Необходимость применения дифференциала в конструкции привода автомобилей обусловлена тем, что внешнее колесо при повороте проходит более длинную дугу, чем внутреннее. То есть при вращении ведущих колёс с одинаковой скоростью поворот возможен только с пробуксовкой, а это негативно сказывается на управляемости и сильно повышает износ шин.

Назначение дифференциала в автомобилях:

  • позволяет ведущим колёсам вращаться с разными угловыми скоростями;
  • неразрывно передаёт крутящий момент от двигателя на ведущие колёса;

В случае единственного приводного колеса или отдельного двигателя для каждого из ведущих колёс дифференциал не требуется. В конструкции раллийных автомобилей иногда дифференциал намертво блокируют (заваривают), жёстко связывая колёса ведущей оси — это допустимо, так как на гравии или снегу в ралли повороты проходятся только с заносом. Также дифференциал отсутствует в конструкции картов, при этом гибкость их рам обычно позволяет вывешивать ведущее заднее колесо с внутренней стороны поворота без отрыва передних колёс от трассы. В веломобилях с ведущей осью вместо дифференциала часто применяются более простые и доступные трещотки (обгонные муфты) в колёсах — такой привод допускает вращение колёс на ведущей оси с разной скоростью, но при этом весь момент передаётся только на то колесо, которое медленнее вращается.

Устройство[править | править вики-текст]

Основой любого дифференциала может быть только планетарная передача, которая в силу механики своей работы единственная из всех передач вращательного движения может решать задачи, стоящие перед дифференциалом в трансмиссии. Термин «планетарный дифференциал» является избыточным — любой дифференциал планетарный. Работоспособность ПП как дифференциала абсолютно не зависит ни от её состава или формы, ни от выбора конкретных звеньев под ведущие или ведомые. Любая ПП в самом простом своём варианте — трёхзвенного планетарного механизма без каких-либо управляющих элементов — может выполнять функции по разложению одного потока на два взаимосвязанных или сложению двух независимых потоков в один. Выбор иных звеньев ПП в качестве ведущих, а других в качестве ведомых определяется лишь требуемой кинематикой связей дифференциала с другими элементами трансмиссии и особенностями механики работы дифференциала в выбранном формате распределения функций между звеньями. Дополнение ПП управляющими элементами и применение так называемых сложных планетарных механизмов наделяет дифференциал возможностями по взаимовыравниванию угловых скоростей потоков и возможностями по активному управлению этими скоростями.

Дифференциал автомобиля Porsche Cayenne в разрезе

Каноническим, наиболее известным видом дифференциала является межколёсный дифференциал автомобиля, выполненный на основе простого (то есть, трёхзвенного) пространственного планетарного механизма схемы СВС на четырёх конических шестернях. Водилом планетарной передачи такого дифференциала фактически служит весь его корпус — это ведущее звено ➁. Две шестерни являются сателлитами на общей оси ➂. И две шестерни являются двумя солнцами — двумя ведомыми звеньями ➃. Подача мощности осуществляется на корпус (водило) через жёстко закреплённую ведомую шестерню главной передачи, которая в свою очередь в паре с ведущей шестернёй ➀ формально есть другой элемент трансмиссии, несмотря на то, что дифференциал с ведомой шестернёй зачастую выглядит как единый сборочный узел. Снятие мощности осуществляется с двух солнц, к которым в данном случае пристыкованы валы с шарнирами типа ШРУС.

Расположение[править | править вики-текст]

На автомобилях с одной ведущей осью дифференциал располагается на ведущей оси.

На автомобилях со сдвоенной ведущей осью два дифференциала, по одному на каждой оси.

На автомобилях с подключаемым полным приводом по одному дифференциалу на каждой оси. На таких машинах не рекомендуется ездить по дорогам с плотным покрытием с включенным полным приводом.

На автомобилях с постоянным полным приводом есть три дифференциала: по одному на каждой оси (межколёсный), плюс один распределяет крутящий момент между осями (межосевой).

При трёх или четырёх ведущих мостах (колёсная формула 6 × 6 или 8 × 8) добавляется ещё межтележечный дифференциал.

Проблема буксующего колеса[править | править вики-текст]

Обычный («свободный») дифференциал отлично работает, пока ведущие колёса неразрывно связаны с дорогой. Но, когда одно из колёс теряет сцепление (оказывается в воздухе или на льду), то вращается именно это колесо, в то время как другое, стоящее на твёрдой земле, неподвижно. В случае потери сцепления одним из колёс, его сопротивление вращению падает, а раскрутка происходит без существенного увеличения момента сопротивления (трение скольжения в пятне контакта меньше трения покоя и несущественно зависит от скорости пробуксовки). В момент когда колесо начинает проскальзывать, крутящие моменты на колесах не равны друг другу, а обратно пропорциональны сопротивлению вращения колес.

С точки зрения механики, в момент, когда одно колесо автомобиля теряет сцепление с дорогой, редуктор моста вырождается в преобразованный механизм с одной степенью свободы и с положительным передаточным числом, так как одно солнце фиксируется на месте колесом, имеющим сцепление, а второе вращается в том же направлении, что и водило, установленное на большой шестерне редуктора. Передаточное число преобразованного механизма возрастает в десятки раз, КПД передачи падает до долей процента.[1]

При прямолинейном движении автомобиля сателлиты относительно собственной оси не вращаются. Но каждый, подобно равноплечему рычагу, делит крутящий момент ведомой шестерни главной передачи поровну между шестернями полуосей. Когда автомобиль движется по криволинейной траектории, внутреннее по отношению к центру описываемой автомобилем окружности колесо вращается медленней, наружное быстрей — при этом сателлиты вращаются вокруг своей оси, обегая шестерни полуосей. Но принцип деления момента поровну между колесами — сохраняется. Мощность же, подаваемая на колеса, перераспределяется, — ведь она равна произведению крутящего момента на угловую скорость колеса. Если радиус поворота настолько мал, что внутреннее колесо останавливается, тогда внешнее вращается с вдвое большей скоростью, чем при движении автомобиля по прямолинейной траектории. Итак, дифференциал не меняет крутящий момент, но перераспределяет между колесами мощность. Последняя всегда больше на том колесе, которое вращается быстрее.

История способов решения проблемы буксующего колеса[править | править вики-текст]

  • 1825 — Онесифор Пеккёр (Onesiphore Pecqueur, 1792—1852) изобрёл дифференциал.
  • 1932 — Фердинанд Порше начал исследования в области дифференциалов c проскальзыванием.
  • 1935 — компания ZF Friedrichshafen AG, основанная Порше, выпустила на рынок кулачковый дифференциал, примененный впоследствии на ранних моделях Фольксваген (Type B-70)[2]
  • 1956 — американская компания Packard одной из первых начала выпуск моделей с LSD-дифференциалом под фирменным названием «Twin Traction». В 60-х годах многие компании начали производство LSD-дифференциалов под различными фирменными названиями:
  • Alfa Romeo: Q2
  • American Motors: Twin-Grip
  • Buick: Positive Traction
  • Cadillac : Controlled
  • Chevrolet/GMC: Positraction
  • Chrysler: Sure Grip
  • Dana Corporation:Trak-Lok or Powr-Lok
  • Ferrari: E-Diff
  • Fiat: Viscodrive
  • Ford: Equa-Lock and Traction-Lok
  • International: Trak-Lok или Power-Lok
  • Jeep: Trac-Lok (clutch-type mechanical), Tru-Lok (gear-type mechanical), and Vari-Lok (gerotor pump), Power Lok
  • Oldsmobile: Anti-Spin
  • Pontiac: Safe-T-Track
  • Porsche: PSD (electro-hydraulic mechanical)
  • Saab: Saab XWD eLSD
  • Studebaker-Packard Corporation: Twin Traction

Самоблокирующийся дифференциал[править | править вики-текст]

Термин обозначает любой дифференциал, механика работы которого позволяет ему самостоятельно блокироваться — то есть, в первую очередь, выравнивать угловые скорости ведомых шестерён и превращаться в прямую передачу. Самоблокирующиеся дифференциалы не требуют никаких внешних систем управления и работают автономно. В автомобилях могут использоваться и как межколёсные и как межосевые. В гусеничной технике не используются. Условно все «самоблоки» можно разделить на две группы: срабатывающие от крутящего момента и срабатывающие от разницы угловых скоростей на ведомых шестернях. В первую группу попадают дифференциалы Quaife и Torsen. Во вторую — дифференциалы с дисковой блокировкой, кулачковые, Ferguson и дифференциалы с вискомуфтой.

Принудительно блокируемые дифференциалы[править | править вики-текст]

Ручная блокировка дифференциала[править | править вики-текст]

Дифференциал с принудительной блокировкой

По команде из кабины шестерни дифференциала блокируются, и колёса вращаются синхронно. Таким образом, дифференциал стоит блокировать перед преодолением сложных участков пути (вязкий грунт, препятствия), и затем разблокировать после выезда на обычную дорогу. Применяется в вездеходах и внедорожниках.

При езде на таких автомобилях чаще всего не рекомендуется блокировать дифференциал, когда автомобиль движется, желательно включать блокировку на стоянке. Также нужно знать, что крутящий момент, создаваемый мотором, настолько велик, что может сломать механизм блокировки или полуось. Обычно производители автомобиля отдельно указывают рекомендованную максимальную скорость движения при заблокированном дифференциале, в случае её превышения возможны поломки трансмиссии. Включенная блокировка, особенно в переднем мосту, отрицательно влияет на управляемость.

Электронное управление дифференциалом[править | править вики-текст]

На внедорожниках, снабжённых антипробуксовочной системой (TRC и другие), если одно из колёс буксует, оно подтормаживается рабочим тормозом.

Похожее решение было применено в «Формуле-1» в 1998 г. в команде «Макларен»: в повороте внутреннее колесо подтормаживалось рабочим тормозом. Эту систему быстро запретили, однако в Формуле-1 прижилась конструкция фрикционного дифференциала, в котором фрикцион дополнительно управляется компьютером. В 2002 году технический регламент был ужесточён; с того же (2002) года и по сей день в Формуле-1 разрешены только дифференциалы простейшего типа.

Преимущество электронного управления в том, что повышается тяга в повороте, и степень блокировки можно настроить в зависимости от предпочтений гонщика. На прямой совсем не теряется мощность двигателя. Недостаток в том, что датчики и исполнительные механизмы обладают некоторой инерцией, и такой дифференциал нечувствителен к быстро меняющимся дорожным условиям.

DPS[править | править вики-текст]

Dual Pump System — система с двумя насосами, автоматически подключающая вторую ось, когда не хватает одной. Применяется в системах полного привода Honda. Достоинства: работает автоматически, на хорошей дороге экономит бензин. Недостатки: ограниченная проходимость, сложность, ограничения на буксировку.

Активный дифференциал[править | править вики-текст]

Термин означает любой дифференциал, устройство которого позволяет перераспределять мощность/тягу на ведомых звеньях в любой требуемой для данного момента движения пропорции. Именно в этом и есть отличие активного дифференциала от блокируемого, в котором мощность/тяга на ведомых звеньях может быть лишь выравнена до пропорции 50/50. Все активные дифференциалы имеют двухканальную систему управления и обязательно два управляющих элемента — два тормоза или два фрикциона — включающихся в работу по команде от внешних источников. Все активные дифференциалы помимо основной планетарной передачи, выполняющей функции свободной раздачи мощности, имеют парный комплект дополнительных планетарных или простых зубчатых передач, выполняющих функцию перераспределения мощности в свою сторону. Каждая из этих парных передач связана со своим управляющим элементом. Хотя какие-либо механизмы блокировки у активных дифференциалов отсутствуют, фактически, все активные дифференциалы также являются блокируемыми, только в них не один симметричный режим блокировки, а два несимметричных (по одному для каждой из двух сторон). В этих режимах управляющий элемент дифференциала работает без внутренней пробуксовки, а сам дифференциал превращается в понижающе-повышающую передачу. На легковых автомобилях с активными дифференциалами эти крайние режимы могут и не использоваться, зато они используются в дифференциальных механизмах поворота гусеничных машин.

Случаи отсутствия дифференциалов в трансмиссии[править | править вики-текст]

Наличие дифференциалов, делящих мощность, в трансмиссии транспортной машины не обязательно. Их отсутствие несомненно приводит к повышению нагрузок на трансмиссию и повышенному износу колёс, но с этим либо мирятся, либо в аспекте предполагаемой эксплуатации конкретной машины это есть не важно. Четырёхколёсный автомобиль с двумя ведущими колёсами в принципе может обходится без дифференциала — например, карт, или гоночный автомобиль с задней ведущей осью для гонок на покрытиях с низким коэффициентом сцепления. В экстра случаях дифференциал может отсутствовать даже и на гоночной машине для асфальта (пример — победитель гонки 24 часа Ле-Мана 1991 года Mazda 787B). На чисто переднеприводной машине межколёсный дифференциал должен быть обязательно, так как его отсутствие не позволит адекватно поворачивать независимо от типа дорожного покрытия. В полноприводных машинах могут отсутствовать межосевые дифференциалы, при этом опять же, либо это неважно в аспекте экплуатации машины (пример — гоночные машины WRC 2012-2016 годов), либо движение на такой машине допускается только на покрытиях с низким коэффициентом сцепления (пример — внедорожники с подключаемой передней осью типа УАЗ-469 или Jeep Wrangler). Дифференциалы отсутствуют на тяговых машинах ж/д транспорта — на электровозах, тепловозах, электропоездах, вагонах метро. Колёса одной оси этих машин за счёт конической поверхности круга катания и увеличения ширины колеи на дуге могут сдвигаться чуть в сторону от центра пути и тем самым обеспечивают разный диаметр в точках контакта колеса с рельсом. Плюс к этому, колёса могут проскальзывают при движении по дуге, издавая при этом специфический звук, что отчасти нивелируется наклоном рельсового полотна в кривых. Отдельные механизмы поворота гусеничных машин также могут обходиться без дифференциалов в своей конструкции — здесь движение машины по дуге определяется либо пробуксовкой фрикционных муфт, либо вообще машина имеет лишь несколько фиксированных радиусов поворота. Дифференциалов нет в веломобилях, где вместо них ради удешевления и простоты применяются более простые и доступные трещотки (обгонные муфты) в колёсах — такой привод допускает вращение колёс на ведущей оси с разной скоростью, но при этом тяга передаётся только на то колесо, которое медленнее вращается. Дифференциалов может не быть в мотоблоках и средствах малой механизации, где их отсутствие нивелируется предельно узкой колеёй колёс ведущей оси, легкодеформируемыми покрышками и низким коэффициентом сцепления между колёсами и землёй.

См. также[править | править вики-текст]

Примечания[править | править вики-текст]

  1. Планетарная передача. bse.sci-lib.com. Проверено 20 августа 2016.
  2. The Motor Vehicle K.Newton W.Steeds T.K.Garrett Ninth Edition pp549-550

Ссылки[править | править вики-текст]