Дифференциал — это механизм, позволяющий (при необходимости) ведущим колесам автомобиля вращаться с разными скоростями. Для чего это нужно? При движении по прямой колеса проходят одинаковый путь, в повороте же внешнее колесо проходит путь больший, чем внутреннее колесо. Поэтому, чтобы «успеть» за автомобилем, внешнее колесо должно вращаться быстрее.

Устройство дифференциала несложное — корпус, ось сателлитов и два сателлита (шестерни). Корпус крепится к ведомой шестерне главной пары и вращается вместе с ней. Сателлиты входят в зацепление с шестернями полуосей, которые непосредственно вращают колеса.

В такой конструкции сателлиты передают больший крутящий момент на ту полуось, которая оказывает меньшее сопротивление вращению. То есть, с большей скоростью будет вращаться колесо, которое дифференциалу легче раскрутить. При движение по прямой колеса нагружены одинаково, дифференциал делит крутящий момент поровну, сателлиты не вращаются вокруг своей оси. В повороте внутреннее колесо нагружено больше, внешнее — разгружается. Поэтому сателлиты начинают вращаться вокруг оси, докручивая менее нагруженное колесо, увеличивая тем самым скорость его вращения.

Но такая особенность дифференциала иногда приводит к весьма неприятным последствиям. Если, например, одно из колес попадет на скользкую поверхность, дифференциал будет вращать только его, полностью игнорируя колесо, имеющее нормальный контакт с дорогой. То есть, автомобиль будет «буксовать».

Для борьбы с этим явлением применяются блокировки дифференциала. Способов блокировок придумано множество — от простых механических до изощренных электронных.

Дифференциал с полной блокировкой

Применяется во внедорожниках. В такой конструкции валы полуосей жестко соединяются между собой, вращаясь, таким образом, с равными скоростями. Блокировка включается водителем вручную перед преодолением труднопроходимого участка, после чего ее необходимо выключать во избежание перегрузок трансмиссии, повышенного износа шин и снижения управляемости автомобиля. При движении в обычных дорожных условиях полную блокировку применять, естественно, нельзя.

Дифференциал с частичной блокировкой

В таких дифференциалах блокировка включается автоматически, поэтому их еще называют самоблокирующимися. При этом усилие блокировки нарастает постепенно, пропорционально разнице в скорости вращения или величине крутящего момента. По конструкции самоблокирующиеся дифференциалы можно разделить на четыре вида: вязкостные, дисковые, винтовые, электронноуправляемые.

 

 

02

  Вискомуфта (вязкостная муфта) представляет собой герметичный корпус, в котором размещены два пакета фрикционов. Пространство внутри корпуса заполнено силиконовой жидкостью, вязкость которой зависит от температуры. Один пакет фрикционов соединяется с корпусом дифференциала, второй — с одной из полуосей. В обычных условиях, когда полуоси вращаются с одинаковой скоростью, или с небольшой разницей, вискомуфта себя никак не проявляет. При пробуксовке одного из колес скорость вращения полуоси резко возрастает, жидкость при этом интенсивно нагревается, а ее вязкость повышается. В результате пакеты фрикционов «слипаются» — скорости валов выравниваются. При остывании вязкость снижается — валы снова вращаются независимо. Вискомуфта способна обеспечить лишь небольшой коэффициент блокировки, при длительной пробуксовке перегревается, срабатывает с запаздываниями (пока нагреется жидкость). Поэтому область ее применения — обычные городские автомобили, для преодоления бездорожья она не подходит.

 

03

nissan_performance_parts

  Дисковые дифференциалы - это обычные дифференциалы, в которые дополнительно встраиваются один или два пакета фрикционов и распорная пружина, создающая преднатяг (сжатие пакетов). В пакете фрикционов часть дисков крепится к полуоси, вторая — к корпусу дифференциала. Когда колеса вращаются с одинаковыми скоростями, диски в пакете вращаются как одно целое. При разнице в скорости вращения между ними возникают силы трения, стремящиеся выровнять скорости. Таким образом осуществляется частичная блокировка дифференциала. Очевидны недостатки дисковой блокировки — постоянный, пусть даже и небольшой, момент трения, создаваемый преднатягом, ухудшает управляемость, быстрее изнашиваются шины, увеличивается расход топлива. Да и срок службы фрикционов сравнительно небольшой. По мере их износа снижается и степень блокировки, а после полного износа дифференциал работает уже как свободный. Отсюда вывод — чем чаще буксуешь, тем быстрее умирает дифференциал. Дисковые дифференциалы требуют применения специального трансмиссионного масла.

Усилием преднатяга определяется степень блокировки и минимальный крутящий момент, передаваемый на колесо в любых дорожных условиях. Регулируя степень преднатяга подбирают нужный компромисс между проходимостью и управляемостью. Дисковые дифференциалы с малым преднатягом используются на обычных, дорожных автомобилях, с большим — на спортивных.

Более продвинутой версией дискового дифференциал является героторный дифференциал. В нем шестеренчатый масляный насос приводит в действие поршень, который сжимает пакет фрикционов. А производительность насоса зависит от разницы в скорости вращения полуосей. Чем больше эта разница — тем сильнее усилие сжатия, а, соответственно, и степень блокировки.

 

 

04

   Червячные дифференциалы — используют для блокировки свойства червячных передач. Самыми распространенными являются дифференциалы Торсен и Квайф. Червячная передача состоит из червяка и червячного колеса. Червяк (сателлит) является ведущим звеном, колесо (шестерня полуоси) — ведомым. КПД передачи при прямом вращении намного больше, чем при обратном, и зависит от угла наклона витков червяка. Говоря проще, червяк легко вращает колесо, колесо же с трудом вращает червяк. При определенном угле витка червяка обратная передача становится вообще невозможной — то есть, колесо не сможет вращать червяк (происходит самоторможение). Таким образом, подбирая угол наклона витков червяка, регулируют степень блокировки дифференциала Торсен. Блокирующие свойства Торсена зависят также и от величины передаваемого крутящего момента. Существует три типа дифференциала Торсен. Типы Т1 и Т2 отличаются формой сателлитов и используются в качестве межколесных. Торсен Т3 используется в полноприводных автомобилях в качестве межосевого дифференциала.

В дифференциале «Квайф» сателлиты не посажены на оси, а свободно расположены в гнездах корпуса. При возникновении разницы в скорости вращения полуосей сателлиты, блокируясь, сдвигаются в гнездах и прижимаются к корпусу. Возникающая при этом сила трения пропорциональна разнице скоростей вращения. Степень блокировки регулируют, подбирая сателлиты с различным углом наклона витков.

Червячные дифференциалы по сравнению с дисковыми отличаются большей надежностью и коэффициентом блокировки, меньше боятся пробуксовки (но длительные и частые пробуксовки все равно не рекомендуются). Однако такие дифференциалы, в отличие от дисковых и вискомуфты, совершенно беспомощны против диагонального вывешивания.

 

 

   Электронноуправляемые дифференциалы. Электроника, активно внедряемая во все узлы и системы автомобиля, не обошла стороной и дифференциал. Типовая конструкция электронноуправляемого дифференциала напоминает устройство обычного дискового дифференциала, но сжатие фрикционов осуществляется гидро- либо электроприводом по команде блока управления. Таким образом можно регулировать степень блокировки в самых широких пределах — от 0 до 100%. Все зависит от заложенной в блок программы.

Казалось бы, идеал достигнут! Но, нет пытливые японцы пошли дальше и сконструировали активный дифференциал — самый совершенный на данный момент. Обычный электронноуправляемый дифференциал при пробуксовке только выравнивает скорости вращения полуосей. Активный же дифференциал может вращать полуоси с разными скоростями, в зависимости от дорожной ситуации. Например, в повороте добавить момент на внешнее разгруженное колесо, помогая автомобилю «довернуться».

Что такой дифференциал представляет собой конструктивно? Обычный свободный дифференциал дополнен двумя передачами — повышающей и понижающей. Включает передачи при помощи мокрых сцеплений блок управления. Величина передаваемого крутящего момента регулируется степенью сжатия сцеплений. Таким образом автомобиль с активным дифференциалом может и мастерски проходить крутые виражи, и на бездорожье не спасует. Другой вопрос, стоит ли овчинка выделки: цена дифференциала немаленькая. Поэтому и ограничивается его применение только мощными спортивными автомобилями.

Имитация блокировок. В последнее время большое распространение получили электронные системы, которые при возникновении пробуксовки подтормаживают буксующее колесо с помощью штатной тормозной системы, имитируя блокировку дифференциала. Для обычного городского автомобиля, не выезжающего на бездорожье — самое практичное решение. И на скользкой дороге поможет, и даже диагонального вывешивания не боится.

Преимущества и недостатки. Автомобиль с самоблокирующимся дифференциалом увеличивает тягу на колесах, тем самым повышая проходимость на бездорожье и на скользкой дороге. Также улучшается динамика разгона. Широко используются такие дифференциалы на мощных спортивных автомобилях и в тюнинге для более полной реализации мощности, прохождения поворотов в скольжении.

Но то, что хорошо для спортивного автомобиля, не всегда благо для обычного. Ведь самоблокирующийся дифференциал, повышая проходимость, ухудшает управляемость. Например, при разгоне на скользкой дороге автомобиль сложнее удержать на прямой. Если блокировки нет, автомобиль, проскальзывая, просто теряет ускорение. Если же срабатывает блокировка, небуксующее колесо (или колеса) продолжают толкать автомобиль вперед, тем самым уводя его с прямолинейной траектории.

Блокировки, установленные на передней оси, увеличивают недостаточную поворачиваемость (траектория в повороте стремится распрямиться), установленные в задней оси — повышают избыточную поворачиваемость (в повороте увеличивается склонность к заносу).

Самоблокирующиеся дифференциалы еще называют дифференциалами повышенного трения. А повышенное трение приводит к увеличенному расходу топлива, снижению срока службы шин и деталей трансмиссии.

Особенностью работы свободного дифференциала является то, что при пробуксовке одного колеса (ведущей оси) на другое передается крутящий момент, недостаточный для движения. Блокировка дифференциала предназначена для увеличения крутящего момента на колесе (оси) с лучшим сцеплением.
Для того, чтобы заблокировать дифференциал необходимо выполнить одно из двух действий:

  • соединить корпус дифференциала с одной их полуосей;
  • ограничить вращение сателлитов.

В зависимости от степени блокирования блокировка дифференциала бывает:

  • полной;
  • частичной.

Полная блокировка дифференциала предполагает жесткое соединение частей дифференциала, при котором крутящий момент может полностью передаваться на колесо с лучшим сцеплением.

Частичная блокировка дифференциала характеризуется ограниченной величиной передаваемого усилия между частями дифференциала и соответствующего ей увеличения крутящего момента на колесе с лучшим сцеплением.

Величина повышения крутящего момента на свободном колесе оценивается коэффициентом блокировки. Другими словами, коэффициент блокировки выражает отношение крутящего момента на отстающем (свободном) колесе к моменту на забегающем (буксующем) колесе. Для симметричного свободного дифференциала коэффициент блокировки 1, т.к. крутящие моменты на каждом из колес всегда равны. В заблокированном дифференциале коэффициент блокировки может находится в пределе 3-5. Дальнейшее увеличение коэффициента блокировки нежелательно, т.к. может привести к поломке элементов трансмиссии.

Блокировка дифференциала применяется как на межколесных дифференциалах, так и на межосевых дифференциалах. Блокировка переднего межколесного дифференциала полноприводного автомобиля обычно не производится, чтобы не снижать управляемость.

Блокировка дифференциала может осуществляться принудительно и автоматически. Принудительная блокировка дифференциала производится по команде водителя, поэтому другое ее название ручная блокировка. Автоматическая блокировка дифференциала выполняется с помощью специальных технических устройств – самоблокирующихся дифференциалов.

 Принудительная блокировка дифференциала:

Принудительная блокировка дифференциала производится, как правило, с помощью кулачковой муфты, обеспечивающей жесткое соединение корпуса дифференциала и одной из полуосей.

Замыкание (размыкание) кулачковой муфты производится с помощью механического, электрического, гидравлического или пневматического привода.

Механический привод объединяет рычаг и тросы или систему рычагов. Блокировка дифференциала производится водителем путем перемещения рычага в определенное положение на неподвижном автомобиле.

Гидравлический привод блокировки дифференциала включает главный и рабочий цилиндры. Исполнительным элементом пневматического привода является пневмоцилиндр. В электрическом приводе для замыкания муфты используется электродвигатель. Включение блокировки дифференциала (инициация привода) производится путем нажатия соответствующей кнопки на панели приборов.

Жесткая принудительная блокировка применяется для преодоления автомобилем труднопроходимых участков, а при их прохождении обязательно выключается. Применяется в межколесных и межосевых дифференциалах полноприводных автомобилей.

locker dif

   Самоблокирующийся дифференциал

Самоблокирующийся дифференциал (другое название –дифференциал повышенного трения, Limited Slip Differential, LSD) по своей сути является компромиссом между свободным дифференциалом и полной блокировкой дифференциала, т.к. позволяет реализовать при необходимости возможности и того и другого.

Различают два вида самоблокирующихся дифференциалов:

  • дифференциалы, блокирующиеся от разности угловых скоростей колес;
  • дифференциалы, блокирующиеся от разности крутящих моментов.

К первым относятся дисковый дифференциал, дифференциал с вязкостной муфтой, а также электронная блокировка дифференциала. Блокируется в зависимости от разности крутящих моментов червячный дифференциал.

Червячный самоблокирующийся дифференциал обеспечивает автоматическую блокировку в зависимости от разности крутящих моментов на корпусе и полуоси (приводном вале). При проскальзывании колеса, сопровождаемом падением крутящего момента, червячный дифференциал блокируется и перераспределяет крутящий момент на свободное колесо. Блокировка при этом частичная, а ее степень зависит от величины падения крутящего момента.

 

1

Известными конструкциями червячных дифференциалов являются дифференциал Torsen (от сокращенного Torque Sensing — чувствительный к крутящему моменту) и дифференциал Quaife. Конструкции данных дифференциалов представляют собой планетарный редуктор, состоящий из червячных шестерен: ведомых (полуосевых) и ведущих (сателлитов). Сателлиты могут располагаться параллельно полуосям (Quaife, Torsen Т-2) или перпендикулярно полуосям (Torsen Т-1).

Особенностью червячной шестерни является то, что она может приводить во вращение другие шестерни, а сама не может вращаться от других шестерен. При этом говорят, червячная шестерня расклинивается. Данное свойство используется для частичной блокировки червячного дифференциала.

Червячные самоблокирующиеся дифференциалы широко применяются как в качестве межколесных, так и межосевых дифференциалов.

 

 

 

Современные модели автомобилей имеют в своем арсенале, как правило, несколько двигателей – как бензиновых, так и дизельных. Двигатели различаются по мощности, величине крутящего момента, частоте вращения коленчатого вала. С разными двигателями применяются и разные коробки передач: механика, робот, вариатори конечно автомат.

Главная передача предназначена для увеличения крутящего момента, передаваемого к ведущим колесам. Устройство ее, на первый взгляд, весьма просто — две шестерни. Одна, размером поменьше, является ведущей, вторая, побольше — ведомой. Но от конструкции главной передачи во многом зависят тягово-скоростные характеристики автомобиля и расход топлива.

01

На заднеприводных автомобилях применяется гипоидная главная передача, так как крутящий момент нужно передать на ведущие колеса под углом 90 градусов. Почему применяется более сложная в изготовлении гипоидная передача, а не простая коническая? Да потому что у конической передачи ее простота является единственным преимуществом. А недостатков больше: шумность, низкая несущая способность, высокое расположение карданного вала. В гипоидной передаче ось ведущей шестерни смещена относительно оси ведомой на величину гипоидного смещения. Поэтому карданный вал располагается ниже, что позволяет уменьшить высоту трансмиссионного туннеля. При этом снижается центр тяжести автомобиля, тем самым улучшая его устойчивость.

Зубья шестерен выполняются косыми или криволинейными. Благодаря тому, что в гипоидной передаче одновременно находится в зацеплении больше зубьев, чем в конической, обеспечивается ее плавная и бесшумная работа, повышается нагрузочная способность. Однако, из-за более плотного прилегания зубьев увеличивается опасность заклинивания, особенно при изменении направления вращения. Поэтому гипоидные передачи требуют высокой точности регулировки и применения специального трансмиссионного масла. В масла для гипоидных передач добавляются противоизносные и противозадирные присадки.

В переднеприводных автомобилях, где нет необходимости изменять направление передаваемого момента, в главной передаче применяются простые цилиндрические шестерни. Конструктивно главная передача устанавливается в общем картере с коробкой передач. Цилиндрические передачи просты в изготовлении, недороги, опасность задиров низка. Поэтому для их смазки в большинстве случаев применяется не специальное трансмиссионное масло, а моторное.

Как влияет передаточное число главной пары на тягово-динамические характеристики? Чем оно выше, тем быстрее происходит разгон, но максимальная скорость ниже. И, наоборот, с уменьшением передаточного числа автомобиль разгоняется медленнее, но достигает большей максимальной скорости. Значение передаточного числа для конкретной модели автомобиля подбирается с учетом характеристик двигателя, размера колес, возможностей тормозной системы.

 

Карданная передача предназначена для передачи крутящего момента между валами, расположенными под углом друг к другу. В автомобиле карданная передача применяется, как правило, в трансмиссии и рулевом управлении.

Посредством карданной передачи могут соединяться следующие элементы трансмиссии:

  • двигатель и коробка передач;
  • коробка передач и раздаточная коробка;
  • коробка передач и главная передача;
  • раздаточная коробка и главная передача;
  • дифференциал и ведущие колеса.

 

 

Основным элементом карданной передачи является карданный шарнир. В зависимости от конструкции шарнира различают следующие типы карданных передач:

  • карданная передача с шарниром неравных угловых скоростей;
  • карданная передача с шарниром равных угловых скоростей;
  • карданная передача с полукарданным упругим шарниром;
  • карданная передача с полукарданным жестким шарниром.

Карданная передача с полукарданным жестким шарниром на автомобилях не применяется, т.к. не отвечает требованиям надежности и технологичности.

  Карданная передача с шарниром неравных угловых скоростей:

Карданная передача с шарниром неравных угловых скоростей имеет устоявшееся название – карданная передача, обиходное название – кардан. Данный тип передачи применяется в основном на заднеприводных автомобилях и автомобилях с полным приводом.

Карданная передача имеет следующее устройство:
kardan1 — копия
1 – эластичная муфта; 2 – фланец вторичного вала коробки передач; 3 – грязеотражатель; 4 – вторичный вал коробки передач; 5 – гайка; 6 – уплотнитель центрирующего кольца; 7 – центрирующее кольцо; 8 – вкладыши эластичной муфты; 9 – болт; 10 – пробка; 11 – фланец переднего карданного вала; 12 – манжета; 13 – шлицевой конец переднего карданного вала; 14 – передний карданный вал; 15 – промежуточная опора; 16 – задний карданный вал; 17 – фланцевая вилка; 18 – стопорное кольцо; 19 – подшипник карданного шарнира; 20 – манжета; 21 – крестовина; 22 – вилка; 23 – упругая подушка; 24 – подшипник промежуточной опоры.

 

Шарнир неравных угловых скоростей объединяет две вилки, расположенные под углом 90° друг к другу, крестовину и фиксирующие элементы. Крестовина вращается в игольчатых подшипниках, установленных в проушинах вилок. Подшипники необслуживаемые, пластичная смазка закладывается в них при сборке и в процессе эксплуатации не меняется.

Особенностью шарнира неравных угловых скоростей является неравномерная (циклическая) передача крутящего момента, т.е. за один оборот ведомый вал дважды отстает и дважды обгоняет ведущий вал. Для компенсации неравномерности вращения в карданной передаче применяется не менее двух шарниров, по одному с каждой стороны карданного вала. При этом вилки противоположных шарниров располагаются в одной плоскости.

В карданной передаче в зависимости от расстояния, на которое передается крутящий момент, применяется один или два карданных вала. При двухвальной схеме первый вал носит название промежуточного, второй – заднего карданного вала. Место соединения валов фиксируется с помощью промежуточной опоры. Промежуточная опора крепится к кузову (раме) автомобиля. Для компенсации, возникающих в результате работы, изменений длины карданной передачи в одном из валов выполняется шлицевое соединение.

Соединение карданной передачи с другими элементами трансмиссии производится с помощью соединительных элементов: фланцев, муфт и др.

 

 

  Карданная передача с шарниром равных угловых скоростей:

Карданная передача с шарниром равных угловых скоростей нашла широкое применение в переднеприводных автомобилях для соединения дифференциала и ступицы ведущего колеса.

Карданная передача данного типа включает два шарнира равных угловых скоростей, соединенных приводным валом. Ближайший к коробке передач (дифференциалу) шарнир носит название внутреннего, противоположный ему – внешний шарнир.

С целью снижения уровня шума карданная передача с шарниром равных угловых скоростей также применяется в трансмиссиях автомоблей с задним и полным приводом. В данном случае шарнир неравных угловых скоростей уступает более совершенной конструкции (сокращенное название – ШРУС, обиходное название – граната).

Карданный шарнир равных угловых скоростей обеспечивает передачу крутящего момента от ведущего к ведомому валу с постоянной угловой скорость, независимо от угла наклона валов. Самым распространенным в конструкции трансмиссии переднеприводного автомобиля является шариковый шарнир равных угловых скоростей.

Шарнир равных угловых скоростей имеет следующее устройство:

1 Обойма;

2 Сепаратор;

3 Шарики;

4 Корпус;

Грязезащитный чехол.

7

 

  Корпус имеет внутреннюю сферическую форму. Внутри корпуса располагается обойма. В корпусе и обойме выполнены канавки, по которым движутся шарики. Такая конструкция обеспечивает равномерную передачу крутящего момента от ведомого вала к ведущему под изменяющимся углом. Сепаратор удерживает шарики в определенном положении. Для защиты шарнира от негативных факторов внешней среды (кислорода, воды, грязи) на ШРУС устанавливается грязезащитный чехол – «пыльник».

При изготовлении в шарнир равных угловых скоростей закладывается смазка, приготовленная на основе дисульфида молибдена.

  Карданная передача с полукарданным упругим шарниром:

Полукарданный упругий шарнир обеспечивает передачу крутящего момента между двумя валами, расположенными под небольшим углом, за счет деформации упругого звена.

 

polukardan

Схема полукарданного упругого шарнира

Характерным примером данного типа шарнирного соединения являетсяупругая муфта Гуибо (Guibo). Муфта представляет собой предварительно сжатый шестигранный упругий элемент, с двух сторон которого крепятся фланцы ведущего и ведомого валов.