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]

Дифференциал автомобиля Porsche Cayenne в разрезе

Классические автомобильные дифференциалы основаны на планетарной передаче:

Карданный вал (1) через коническую зубчатую передачу передает вращение на корпус дифференциала (2). Корпус дифференциала через независимые друг от друга шестерни (сателлиты) (3) вращает полуоси (4). Такое зацепление имеет не одну, а две степени свободы, и каждая из полуосей вращается с такой скоростью, с какой может. Постоянна лишь суммарная скорость вращения полуосей.

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 сопротивленю 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.

Дифференциал Quaife[править | править вики-текст]

Конструктивно дифференциал состоит из одного простого плоского двухрядного планетарного механизма, схемы СВС с парными взаимозацепленными сателлитами. Единственным визуальным отличием от свободного дифференциала аналогичной схемы является использование в шестернях планетарного механизма косозубого зацепления вместо прямозубого. Идея блокировки основана на том, что в косозубом зацеплении под нагрузкой возникают осевые силы, стремящиеся раздвинуть по своим осям обе зацепленные шестерни в противоположные от плоскости контакта стороны, и здесь это свойство в первую очередь использовано в парах взаимозацепленных сателлитов, которые для этого получают осевую подвижность. При повороте или пробуксовке колеса вращающиеся сателлиты расклиниваются на своих осях, упираются торцами в корпус дифференциала, за счёт чего происходит их торможение и самовыравнивание угловых скоростей ведомых шестерён. Место контакта сателлита с корпусом обычно выполнено в виде некоего кармана, что усиливает фрикционные свойства в точках контакта. Расклинивание сателлитов тем сильнее, чем выше передаваемый ими крутящий момент, но сама степень блокировки определяется углом наклона зубьев зацепления и фрикционными свойствами пар контакта сателлит/корпус. Для усиления фрикционного эффекта в данном дифференциале обычно применяют пять пар сателлитов, хотя теоретически, для плоского дифференциала достаточно и трёх пар. Предельно простая конструкция, однако подвержена износу и ухудшению работы со временем.

Дифференциал типа Quaife запатентовал в 1965 г. основатель и владелец английской фирмы «Quaife Engineering» Родни Квайф. Дифференциал используется как межколёсный в спортивных легковых автомобилях, в подавляющем большинстве случаев на переднем приводе. Во внедорожной технике практически не применяется.

Дифференциал Torsen[править | править вики-текст]

Межосевой дифференциал Torsen трансмиссии полноприводных Audi

Дифференциал типа Torsen изобретён в 1958 г. американцем Верноном Глизманом. Имеет достоинства вязкостной муфты и не имеет её недостатков. Принцип работы основан на свойстве червячной передачи «расклиниваться». Название Torsen произошло от англ. Torque sensitive («чувствительный к крутящему моменту»). Torsen — товарный знак JTEKT Torsen North America Inc.

Разновидностей конструкций не так уж и много — можно выделить три основных:

Первый тип (T-1)

Червячными парами являются шестерни ведущих полуосей и сателлиты. При этом каждая полуось имеет собственные сателлиты, которые парно связанны с сателлитами противоположной полуоси обычным прямозубым зацеплением. Следует отметить, что ось сателлита перпендикулярна полуоси. При нормальном движении и равенстве передаваемых на полуоси моментов, червячные пары «сателлит / ведущая шестерня» либо остановлены, либо проворачиваются, обеспечивая разницу угловых скоростей полуосей в повороте. Как только дифференциал пытается отдать момент на одну из полуосей, то червячную пару этой полуоси начинает расклинивать и блокировать с чашкой дифференциала, что приводит к частичной блокировке дифференциала. Данная конструкция работает в самом большом диапазоне отношений крутящего момента — от 2,5:1 до 5,0:1, то есть является самой мощной в серии. Диапазон срабатывания регулируется углом наклона зубцов червяка.

Второй тип (T-2)

В данном случае оси сателлитов параллельны полуосям. Сателлиты расположены в своеобразных карманах чашки дифференциала. При этом парные сателлиты имеют косозубое зацепление, которое расклиниваясь, так же участвует в процессе блокировки. Подобное устройство имеет и дифференциал TrueTrac компании EATON. В России производятся аналогичные дифференциалы под отечественные автомобили типа УАЗ и.т.д.

Третий тип (Т-3)

Планетарная структура конструкции позволяет сместить номинальное распределение момента в пользу одной из осей. Срабатывание частичной блокировки происходит при 20-30 % разнице в передаваемых на оси моментах. Подобная структура дифференциала делает его компактным, что в свою очередь, упрощает конструкцию и улучшает компоновку раздаточной коробки.

В отличие от других конструкций, датчики вращающего момента работают практически в любых условиях. Даже если колеса вращаются с различными скоростями (поворот, прохождение через ухабы), они тем не менее всегда получают вращающий момент основанный на сцеплении.

Данные дифференциалы не требуют применения специальных присадок к маслу (в отличие от фрикционных дифференциалов), однако лучше использовать качественное масло для нагруженных гипоидных передач.

Дифференциал с дисковой блокировкой[править | править вики-текст]

Разобранный дифференциал с дисковой блокировкой

Конструктивно дифференциал состоит из симметричного планетарного механизма на конических шестернях, дополненного парой миниатюрных конических фрикционных муфт и парой многодисковых фрикционных пакетов, располагающихся по оси дифференциала с обеих его сторон между ведомыми шестернями и корпусом. Часть фрикционных дисков здесь зацеплена с корпусом дифференциала, а часть — с миниатюрным конусообразным сцеплением, которое сопрягается каждое со своей ведомой шестернёй. Идея блокировки основана на том, что под нагрузкой в конических шестернях возникают осевые силы, стремящиеся раздвинуть зацепленные шестерни друг от друга, и в отличие от свободного дифференциала, где этот эффект стараются нивелировать, здесь именно за счёт него и происходит сжатие фрикционных пакетов между ведомыми шестернями и корпусом дифференицала, что в свою очередь приводит к выравниванию угловых скоростей. Помимо конических муфт и фрикционных пакетов для усиления эффекта здесь нередко используется распорная пружина, установленная между ведомыми шестернями. И для усиления эффекта эти дифференциалы обычно имеют не два, а четыре сателлита на крестообразном водиле.

Разработки подобных дифференциалов известны с довоенного периода — ими занимались американские фирмы LeTurno-Westinghouse и Barg Warner. Современный вид и дисковую блокировку дифференциалы приобрели в 60-х годах, когда появились относительно надёжные фрикционные материалы, что позволило делать всю систему компактной и пригодной для легковых автомобилей. Сегодня используются в качестве межколёсных в задних ведущих мостах как спортивных, так и внедорожных автомобилей. Надёжны, но могут требовать регулировки со временем.

Кулачковый дифференциал[править | править вики-текст]

Кулачковый дифференциал Порше, применявшийся на KdF82

Конструктивно здесь возможны два варианта исполнения. В одном случае кулачковая муфта, состоящая из двух кулачковых дисков и промежуточного сепаратора с сухарями располагается между обеими ведомыми шестернями свободного дифференциала. Во втором случае, планетарная передача дифференциала вообще не имеет зубчатых колёс: эрзац-водилом дифференциала служит сепараторное кольцо, сателлитами являются сухари, а роль ведомых шестерён выполняют два кулачковых диска или кольца с волнообразным профилем сопряжённой с сепаратором поверхности. В обоих случаях идея блокировки основана на том, что при определённой разнице в угловых скоростях ведомых звеньев сухари расклиниваются между кулачковыми дисками/кольцами и практически моментально блокируют дифференциал. Блокировка здесь срабатывает только от разницы в угловых скоростях. До некоторого значения этой разницы дифференциал работает как свободный, по достижению — сразу блокируется, причём не важно, нагружен он крутящим моментом или нет. Какой-либо переходной режим частичной блокировки между свободным и заблокированным состояниями отсутствует.

Первые известные разработки кулачковых дифференциалов вероятно принадлежат Фердинанду Порше. Именно его дифференциал пошёл в серию на машинах KdF-Kübelwagen. Сегодня кулачковые самоблокирующиеся дифференциалы в основном используются как межколёсные в автомобилях повышенной проходимости и в военной технике (бронетранспортёрах и пр.).

Вязкостная муфта (Вискомуфта, Viscodrive)[править | править вики-текст]

Упрощённый вариант фрикционного дифференциала. На одной из полуосей имеется резервуар, заполненный вязкой дилатантной жидкостью. В эту жидкость погружены два пакета дисков; один соединён с ротором, второй с полуосью. Чем больше разница в скоростях колёс, тем больше разница в скоростях вращения дисков и тем больше вязкое сопротивление.

Достоинство такой конструкции в простоте и дешевизне. Недостаток в том, что вязкостная муфта довольно инерционна и отказывается работать на полном бездорожье. Хороших ходовых качеств вязкостная муфта не обеспечивает и применяется только в «паркетниках» (вседорожниках, которые жертвуют проходимостью ради комфорта) между осями. Для установки в качестве осевого дифференциала такая конструкция слишком громоздка.

Иногда вместо дифференциала ставят коническую зубчатую передачу с вязкостной муфтой на одной из полуосей.

Героторный самоблокирующийся дифференциал[править | править вики-текст]

Попытка повысить эффективность и долговечность фрикционного дифференциала. При возникновении разницы в угловых скоростях насос закачивает жидкость в цилиндр, и поршень сжимает фрикционный пакет, блокируя дифференциал.

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.

Использование дифференциалов в средствах малой механизации[править | править вики-текст]

Кроме автомобилестроения, необходимость в дифференциалах присутствует и в колёсных средствах малой механизации (мотоблоки, мотокультиваторы, снегоотбрасыватели, сено- и газонокосилки, и т. д.). Это связано с тем, что средства малой механизации приходится разворачивать на месте, когда одно колесо едет вперёд, а второе стоит на месте.

Кроме классических видов дифференциалов, на мототехнике используются так называемые «псевдодифференциалы», принцип действия которых напоминает обгонные муфты.[3] В отличие от настоящих дифференциалов, они не позволяют совершать произвольное количество разворотов за один раз[4] и предназначены для разворота средства малой механизации в конце обрабатываемой полосы (например, разворот мотоблока с плугом в конце борозды при вспашке).

См. также[править | править вики-текст]

Примечания[править | править вики-текст]

Ссылки[править | править вики-текст]