Диференціал в автомобілі працює з метою здійснення наступних трьох завдань:
- Диференціал передає потужність двигуна на колеса машини.
- Робить останній крок в зменшенні числа обертів до коліс (ми ж пам'ятаємо, що перший такий крок робить коробка передач) і, отже, збільшуючи крутний момент, що передається тим же ведучим колесам.
- Передаючи потужність на провідні колеса (завжди на парне кількість коліс на одній осі: на два або на всі чотири), диференціал дозволяє кожному з них обертатися з різними швидкостями (це саме те, від чого диференціал заробив свою назву).
У цій статті Ви дізнаєтесь, чому Ваш автомобіль потребує різних оборотах обертання коліс, як це забезпечується, що таке диференціал, як диференціал працює і які його основні недоліки. Ми також розглянемо кілька його типів.
Для чого потрібен диференціал?
Автомобільні колеса обертаються з різною швидкістю, особливо це помітно при повороті. Ви можете бачити в анімації нижче, що кожне колесо проїжджає дуже різну відстань, коли автомобіль повертає, і що внутрішні колеса проїжджають набагато більш коротку відстань, ніж зовнішні. Оскільки швидкість дорівнює відстані, поділений на час, необхідний для проїзду цієї відстані, то виходить, що колеса, які проїжджають меншу відстань, обертаються з меншою швидкістю: так, при повороті наліво ліві колеса будуть крутитися повільніше, ніж праві, і навпаки. Також слід зазначити, що передні колеса проїжджають відстань, що відрізняється від того, яке проїжджають задні колеса.
Для автомобілів з приводом тільки на одну вісь коліс - будь то на задні колеса або ж на передні - різниця обертання передніх коліс до задніх це не проблема. Немає ніякого зв'язку між ними, тому вони обертаються незалежно. Але провідні колеса пов'язані між собою так, щоб один двигун і трансмісія повинні приводити в рух обидва колеса, при цьому, з різною швидкістю їх обертання. Але як же бути, якщо двигун у нас всього один. Якщо Ваш автомобіль не оснащений диференціалом, колеса повинні бути заблоковані разом, будучи вимушеними обертатися з однією і тією ж швидкістю. Це зробило б маневри поворотів - навіть під невеликим кутом - складними: у таких автомобілів, щоб мати можливість повернути, однією з шин обов'язково доведеться ковзати, або інший обов'язково пробуксовувати. А з сучасними покришками і асфальтовими дорогами для цього буде потрібно досить багато сил. Ця сила повинна буде передаватися через вісь від одного колеса до іншого, поклавши, таким чином, дуже важкий тягар на компоненти осі.
Саме з цією проблемою бездоганно справляється диференціал.
Що таке диференціал?
Диференціал - це пристрій, який розділяє крутний момент двигуна на два шляхи з виходами, що дозволяє кожному виходу обертатися з різною швидкістю.
Диференціал є на всіх сучасних легкових і вантажних автомобілях, а також на багатьох повнопривідних машинах. Причому, всі повнопривідні авто повинні мати диференціал між кожним набором ведучих коліс на одній осі, і, крім того, вони потребують диференціалі між парами передніх і задніх коліс (пам'ятаєте початок статті - тому що передні колеса проходять іншу дистанцію, на відміну від задніх коліс при русі автомобіля по напрямку, відмінному від прямого?).
Тим не менш, деякі повнопривідні машини не мають диференціала між передніми і задніми колесами, і, замість цього, ці пари коліс тісно пов'язані між собою так, що передні і задні колеса повинні крутитися з однією і тією ж швидкістю. Ось чому на таких автомобілях виробники не рекомендують їздить по твердому покриттю в режимі повного приводу, а включати його тільки на бездоріжжі.
А тепер давайте з'ясуємо, в якому місці автомобіля зазвичай розташовується диференціал в залежності від типу приводу автомобіля:
Як працює диференціал?
Ми почнемо з найпростішого типу диференціала, званого відкритим диференціалом. Але спочатку ми повинні вивчити деякі терміни - подивіться на малюнок нижче, там Ви знайдете основні компоненти роботи диференціала:
Таким чином, диференціал складається з наступних основних частин:
- Ведучий вал - передає крутний момент, ведучи його від коробки передач до початку диференціала
- Провідна шестерня ведучого вала - косозубая невелика шестерня в формі конуса, яка використовується для зчіпки з механізмом диференціала
- Коронна шестерня - ведена шестерня також у формі конуса, яка приводиться в рух (обертання) провідною шестернею. Провідна і ведена шестерня, разом узяті, називаються головною передачею і саме вони служать останнім етапом зменшення швидкості обертання, яке в кінцевому рахунку досягне коліс (коронна шестерня завжди менше провідною, а, значить, провідною шестерні доведеться зробити набагато більше оборотів, поки ведена зробить все один оборот навколо себе).
- Шестерні піввісь - це останні шестерні на шляху передачі обертання від ведучого вала до коліс.
- Сателіти - планетарний механізм, який якраз і здійснює ключову роль в забезпеченні різниці обертання коліс при повороті.
- Напівосі - вали, що йдуть від диференціала безпосередньо до коліс.
А тепер давайте перейдемо до ключового і найважливішого розумію, як працює диференціал, і подивимося на анімації нижче, як перераховані вище компоненти відкритого диференціала працюють в двох випадках:
- Коли автомобіль їде прямо.
- Коли автомобіль повертає.
Який головний недолік диференціала?
Відкритий диференціал передає обертання того чи іншого колесу практично в будь-якому співвідношенні, в тому числі і в співвідношенні 100% / 0% - коли одне з провідних коліс приймає весь крутний момент на себе. У той же час розподіл такого обертання між колесами відбувається при зміні навантаження на ці колеса (а разом з ними на півосі) - тобто колесо з меншим навантаженням в повороті отримує більше обертання. Але тут криється один істотний недолік, який має місце при певних умовах, а саме, коли обидва ведучі колеса знаходяться в грязі, снігу або на льоду, і автомобіль починає буксувати - в цьому випадку то колесо, яке має менше зчеплення з поверхнею, буде отримувати левову частку обертання. Простіше кажучи, якщо Ви, наприклад, застрягли в снігу, сівши "на пузо" - коли одне колесо зчеплене з поверхнею снігу, а друге зовсім висить в повітрі, то отримувати потужність за рахунок відповідного розподілу по полуосям диференціала буде якраз те колесо, яке знаходиться на вазі, і саме воно буде безпорадно крутиться в повітрі. Особливо гостро дана проблема стоїть у позашляховиків і всюдиходів.
Які види диференціалів бувають?
Рішенням цих проблем є диференціал підвищеного тертя (LSD, його ще називають диференціалом з обмеженим прослизанням). Диференціали підвищеного тертя використовують різні механізми для забезпечення нормального диференціального дії в різних умовах їзди. Коли колесо ковзає, такий диференціал дозволяє передати більше крутного моменту якраз на нековзне колесо.
На позашляховиках і всюдиходах також застосовуються диференціали з ручним відключенням, які, втім, дуже часто не захищені від випадкового відключення або відключення не в той час через незнання - справа в тому, що можливість відключення диференціала на ходу тягне за собою можливу його поломку, і це поширена проблема.
Що таке вискомуфта (в'язка муфта)?
Вискомуфта найчастіше зустрічається у всіх повнопривідних машинах. І, якщо Ви читали статтю про принцип роботи гідротрансформатора, то знайте, що вискомуфта має схожу з ним схему роботи. Вона широко використовується для зв'язку задніх коліс з передніми таким чином, що коли один набір коліс починає прослизати, крутний момент буде переданий на інший набір, тим самим вирішуючи злободенну проблему буксує колеса, описану вище.
В'язка муфта має два набори пластин всередині герметичного корпусу, який заповнений в'язкою рідиною (кілька більш вузький, ніж трансмісійне масло, наприклад). Один набір пластин з'єднаний з кожним вихідним валом. У нормальних умовах обидва набору пластин та їх порція в'язкої рідини рухаються з однієї і тієї ж швидкістю. Але коли одна вісь намагається обертатися швидше, можливо, тому що вона прослизає, безліч пластин, відповідних колесам цієї осі, обертаються швидше, ніж інші. В'язка рідина, що знаходиться між пластинами, намагається наздогнати більш швидкі диски, тим самим ведучи за собою до цього і повільні диски. Це передає більший крутний момент на повільніше обертаються колеса, які як раз і не ковзають.
пристрій віськомуфти
Коли автомобіль повертає, різниця в швидкості між колесами на одній осі не так велика, як тоді, коли одне з коліс просто прослизає. Чим швидше пластини обертаються відносно один одного, тим більше крутного моменту доводиться на муфту. Муфта не заважає виткам крутитися, тому що величина крутного моменту, що передається під час повороту, мала.
Простий експеримент з яйцем допоможе пояснити поведінку віськомуфти. Якщо Ви поставите яйце на кухонний стіл, шкаралупа, білок і жовток залишаться нерухомими. Але коли Ви почнете розкручувати яйце, шкаралупа яйця буде рухатися з більш високою швидкістю, ніж білок, а білок трохи швидше, їм жовток, але жовток потім швидко надолужить згаяне. До речі, щоб переконатися в цих словах, проведіть експеримент, як тільки у Вас з'явиться яйце: розкрутіть його досить швидко, а потім зупиніть його, потім просто відпустіть яйце, і воно почне знову обертатися (ну, або хоча б сіпнеться в сторону попереднього обертання) . В цьому експерименті ми використовували тертя між шкаралупою, білком і жовтком, застосовуючи силу тільки на шкаралупу. Спочатку ми розкрутили фактично шкаралупу, і з деякою затримкою за шкаралупою за рахунок тертя почали розкручуватися білок, а потім і жовток. А коли ми зупинили шкаралупу, то той же тертя - між все ще рухаються жовтком, білком і шкаралупою - застосував силу до шкаралупи, змушуючи його прискоритися. Так і в разі віськомуфти, сила передається між рідиною і наборами пластин таким же чином, як між жовтком, білком і шкаралупою.
Що таке диференціал Torsen?
Диференціал Torsen є чисто механічним пристроєм: він не зав'язаний ніякої електронікою, а також муфтами або в'язкими рідинами і за своєю суттю є досить простий механізм, дуже схожий з відкритим диференціалом.
Torsen працює також, як і відкритий диференціал, коли величина крутного моменту між двома провідними колесами рівна. Але як тільки одне з коліс починає втрачати зчеплення з дорогою, різниця в моменті, що крутить призводить до блокування разом шестерень в диференціалі Torsen.
Такий диференціал часто використовується в потужних і дуже потужних повнопривідних машинах. Як і вискомуфта, він часто використовується для передачі потужності між передніми і задніми колесами. І в цьому застосуванні диференціал Torsen перевершує віскомусту, тому що передає крутний момент на колеса стабільно перед тим, як фактично починається ковзання. Однак, якщо один набір коліс втрачає зчеплення з дорогою повністю, то диференціал Torsen буде не в змозі перенести крутний момент на інший набір коліс через свою конструкції і принципу роботи такого диференціала.
