Как работают разные типы дифференциалов. Принцип работы автомобильного дифференциала

Если говорить об автомобильных коробках передач, то наиболее распространенным вариантом всегда считался механический вид этого устройства, а коробка автомат ассоциировалась скорее с женщиной-водителем. Однако, в последнее время АКПП завоевывает все большую популярность не только у женщин, но и у представителей мужского пола.

Естественно, у каждого из видов имеются свои преимущества и недостатки, поэтому оценивать их как безусловно хороший или несомненно плохой, конечно же нельзя. В данной статье, мы попытаемся немного разобраться в работе автоматической КПП, уделив особое внимание некоторым ее составляющим, а точнее, так называемым сателлитам КПП.

Что такое сателлиты коробки передач?

В автомобильной практике, под понятием «сателлит» подразумевают один из элементов , называемый еще планетарной шестерней. С конструктивной точки зрения – это зубчатое колесо планетарной передачи, оборудованное подвижной осью вращения. Как правило, данная деталь размещается в месте стыка с солнечной шестерней. Солнечная шестерня – центральный элемент, вокруг которой и вращаются зубчатые колеса. Благодаря такой конструкции, принцип работы сателлита напоминает нашу Солнечную систему, вокруг которой вращаются планеты, от сюда и название передачи – планетарная.

Планетарная передача самая важная часть КПП , ведь именно она обеспечивает весь диапазон рабочих взаимоотношений автоматической передаточной коробки, а остальные устройства только помогают качественному ее функционированию.

В наше время, указанный вид получил широкое распространение не только в автомобильном мире, но еще и в повседневной жизнедеятельности человека. К примеру, планетарная передача является основой работы многих электрических шуруповертов.

В автомобильной коробке автомат, как правило, расположено две таких передачи, которые объединены в один компонент. Сюда входят солнечная шестерня (размещена в центре), водило и кольцевая шестерня. Каждая составляющая может играть роль входной или выходной шестерни, или же вообще блокироваться. Передаточное отношение определяется выбором функции каждого компонента. Такая система присутствует на многих АКПП и считается наиболее долговечной, так как из-за незначительной активности зубьев они редко выходят из строя. Кроме того, планетарная передача отличается простотой и компактностью, что позволяет более плавно переключать скорости, избегая разрывов в передачи мощности силового агрегата транспортного средства.

Замена сателлит коробки передач

Когда на шестернях дифференциала (в том числе и сателлитах) появляются трещины или начинают крошится зубья – это верный признак того, что указанный элемент подлежит замене. В случае незначительных повреждений поверхностей скольжения, присутствующий дефект можно устранить путем шлифовки мелкозернистой шкуркой, с последующей полировкой.

Выполняя замену сателлита коробки передач, необходимо выполнить ряд последовательных действий. Для начала выверните болты крепления ведомой шестерни главной передачи, при помощи которых она крепится к коробке дифференциала. Взаимное расположение коробки и шестерни стоит пометить. Затем, установите под шестерню какой-то упор и выпрессуйте из нее коробку дифференциала.

Выполнить эту задачу поможет молоток и выколотка из мягкого металла, через которую будут наноситься удары. Дальше, пользуясь бородком, выбивают фиксирующий штифт оси сателлитов и достают его из коробки. Теперь, когда он в руках, можно без проблем снять ось сателлитов, а за ней, проворачивая шестерни дифференциала, вынуть из коробки и сами сателлиты, вместе с полуосевыми шестернями и опорными шайбами. Проведите осмотр рабочих поверхностей деталей зубьев сателлитов, шлицов и зубьев полуосевых шестерен. Если теория о сильном износе их рабочих поверхностей подтвердилась и Вы заметили, что зубья и правда начали крошится, то процедуру замены лучше не откладывать.

На данном этапе, все, что нужно – это установить на место вышедших из строя деталей, новые элементы и собрать все в обратной последовательности.

Принцип работы сателлитов в коробке передач

Чтобы разобраться в принципе работы сателлитов коробки передач, рассмотрим ее более детально. Функционирование АКПП обеспечивается работой двух основных составляющих – гидромуфтой и уже упомянутой планетарной передачей . Гидромуфта представлена в виде двух лопастных колес, которые помещены в единый корпус, заполненный специальным маслом. Одно из колес – насосное, соединено с коленчатым валом двигателя, а второе – турбинное, непосредственно взаимодействует с трансмиссией.

Когда насосное колесо начинает вращаться, отбрасываемые потоки масла способствуют раскручиванию турбинного колеса, что позволяет передавать крутящий момент в соотношении 1:1. В случае с автомобилем, такой вариант совершенно не подходит, ведь здесь нужно, что бы крутящий момент мог меняться в широких диапазонах.

Поэтому, учитывая данный факт, между насосным и турбинным колесами начали устанавливать дополнительное колесо – реакторное, способное подстраиваться под рабочие режимы движения машины, что выражается либо в его вращении, либо в неподвижности. В неподвижном состоянии, реактор увеличивает скорость потока рабочей жидкости, которая циркулирует между колесами, а чем выше скорость ее движения, тем большее воздействие оказывается на турбинное колесо.

Таким образом, на турбинном колесе увеличивается, тоесть мы влияем на его трансформацию. Благодаря этому, устройство с тремя колесами, можно назвать уже не гидромуфтой, а гидротрансформатором.

Однако, и он не способен полностью трансформировать скорость вращения в нужных пределах. Кроме того, обеспечить движение автомобиля задним ходом, ему также не под силу. Именно поэтому, такое устройство дополняют набором из отдельных планетарных передач, обладающих разным передаточным коэффициентом. Со стороны это может выглядеть так, как будто несколько одноступенчатых КПП поместили в один общий корпус.

Планетарная передача – это механическая система, которая состоит из нескольких шестерен – сателлитов, вращающихся кругом центральной шестерни. Все вместе, сателлиты фиксируются благодаря водилу, а внешняя кольцевая шестерня, имеет внутренние зацепление с планетарными шестернями. Закрепленные на водиле сателлиты, вращаются кругом центральной шестерни, а внешняя шестерня, движется вокруг сателлитов. Разница передаточных отношений достигается путем фиксации разных деталей относительно друг друга.

За переключение передач отвечает система управления, которая изначально была полностью гидравлической, но в современном мире, на помощь ей пришла электроника.

Но почему же, в автоматической коробке передач, чаще всего, применяется именно планетарная передача? Можно же попробовать использовать валы с закрепленными на них шестернями (как в механической коробке)? Ту дело в том, что описанный тип передачи более компактный и обеспечивает быстрое, а главное плавное переключение скорости, без разрыва в передаче мощности мотора. Более того, за счет передачи нагрузки несколькими сателлитами, снижается напряжение зубьев, что обеспечивает сравнительно большую долговечность планетарных передач.

В одинарном варианте такой передачи, крутящий момент передается посредством двух ее элементов: один из которых ведущий, а второй – ведомый. Третий составляющий элемент остается в неподвижном состоянии.

Двухступенчатая планетарная передача представляет собой две объединенные передачи. Она состоит из одной кольцевой шестерни (всегда выходной), двух солнечных и двух наборов сателлитов. Расположение сателлитов в водиле выполнено таким образом, что один размещен ниже второго и не сопрягается с кольцевой шестерней, соединяясь только с другим сателлитом, посредством которого и достигается указанное соединение. Меньшие шестерни, сопрягаются исключительно с меньшей солнечной шестерней, а большие – соответственно, с большей шестерней, а также с меньшими сателлитами.

Преимущества и недостатки использования планетарных механизмов в КПП

Использование планетарных механизмов в КПП имеет ряд преимуществ, среди которых выделяют:

- сравнительно меньшие габариты трансмиссии;

Высокую надежность работы (работоспособность сохраняется даже в случае потери нескольких зубьев центральных колес);

Высокий коэффициент полезного действия при сравнительно больших передаточных числах;

Отсутствие поперечных нагрузок на основных валах;

Возможность отсоединения вала силового агрегата от трансмиссии, конечно, лишь при условии использования фрикционов передаточной коробки (в этом случае, коробка передач одновременно выполняет роль главного фрикциона);

Сравнительно высокую скорость переключения передач, что существенно повышает средний темп движения транспортного средства.

Однако, наряду с преимуществами, также, существуют и некоторые «минусы» применения планетарной передачи в КПП. Основными из них считаются необходимость в повышенном уровне точности изготовления, что объясняется наличием избыточных связей («лишних» сателлитов), и резкое снижение коэффициента полезного действия при работе с большими передаточными числами.

Зачастую, те планетарные передачи, в состав которых входят эпициклические колеса, имеют сравнительно больший уровень КПД, нежели те, которые состоят только лишь из колес внешнего зацепления. По этой причине, в планетарных КПП, применяются самые простые планетарные ряды с эпициклом. Количество переключений одного ряда, как правило, не превышает трех, что значительно упрощает систему управления фрикционами и тормозами. Кроме того, число планетарных рядов одной коробки передач, также, чаще всего, не превышает трех.

Наличие особенностей в проектировании и расчете таких передач, связано с присутствием избыточных кинематических связей (сателлитов). Гранично возможное число сателлитов в одном ряду, ограничивается условием соседства, которое гласит, что их количество должно быть таким, что бы они не соприкасались друг с другом.

Правда в реальности, число сателлитов редко превышает шесть, что объясняется трудностью равномерного распределения нагрузки между ними в случае большого их количества. Вторым необходимым условием существования и нормального функционирования планетарного ряда, является соблюдение условия соосности, а точнее соосности центральных колес, водила и эпицикла. В случае простого планетарного ряда, такое условие выражается в равенстве межосевых расстояний зацепления солнечного колеса и сателлита, а также зацепления сателлита и эпицикла.

Разветвление потока мощности при передаче силовых нагрузок посредством сателлитов, требует принятия определенных мер касательно обеспечения равномерности распределения поступающих нагрузок между всеми сателлитами. Среди основных причин отсутствия такой равномерности, выделяют следующие: неточности, допущенные при изготовлении зубчатых колес; разное межосевое расстояние сателлитов; перекос геометрии осей сателлитов (оси сателлитов и главная ось передачи непараллельные друг другу) и т.д.

В случае отсутствия обеспечения равномерного распределения нагрузки, расхождение в ее величине, у некоторых сателлитов, может достигать показателя в 70%. Выравнивания поступающей нагрузки между всеми сателлитами, можно достигнуть одним из следующих способов:

За счет повышения точности изготовления деталей планетарной передачи

Путем создания плавающего типа водила или одного из центробежных колес, благодаря чему они смогут иметь некую радиальную подвижность относительно корпуса и сопряженных элементов;

За счет применения упругих элементов конструкции (например, за счет использования обода эпицикла с повышенной гибкостью и осей сателлитов с малой жесткостью).

Расчет прочности описанного типа передач, производят по формулах, используемых в работе с цилиндрическими передачами. Определяя расчетный момент, который действует в зубчатом зацеплении, учитывают количество сателлитов, отвечающих за передачу рабочих нагрузок, а также неравномерность нагрузки на их зубья.

При изготовлении элементов планетарных передач, используются такие же материалы, как и при создании обычных зубчатых передач. Зачастую, это машиностроительные и легированные стали углеродистого происхождения, которые дополнительно подвергаются улучшенной термической обработке.

Подписывайтесь на наши ленты в

Дифференциал в автомобиле работает с целью осуществления следующих трёх задач:

Дифференциал передаёт мощность двигателя на колёса машины.
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.
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:

Ведущий вал - передаёт крутящий момент, ведя его от коробки передач к началу дифференциала
Ведущая шестерня ведущего вала - косозубая небольшая шестерня в форме конуса, которая используется для сцепки с механизмом дифференциала
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).
Шестерни полуосей - это последние шестерни на пути передачи вращения от ведущего вала к колёсам.
Сателлиты - планетарный механизм, который как раз и осуществляет ключевую роль в обеспечении разности вращения колёс при повороте.
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".

28 января 2018

Крутящий момент, создаваемый двигателем внутреннего сгорания, передается колесам с помощью различных механизмов – валов, шлицевых и шестеренчатых передач, дифференциалов. Последние вызывают наибольший интерес у любителей экстремальной езды по бездорожью, поскольку принимают участие в распределении мощности. Многие автолюбители слабо представляют работу данного узла, поэтому стоит рассмотреть вопрос, что такое дифференциал в автомобиле, объяснить его устройство и принцип действия.

Назначение механизма

Чтобы понять роль дифференциала, применяющегося в транспортных средствах всех типов, нужно рассмотреть конструкцию обычного планетарного редуктора, передающего усилие от карданного вала двум полуосям. Алгоритм работы агрегата прост:

Кардан вращает хвостовик с косозубой шестеренкой на конце.
От хвостовика крутится большая планетарная шестерня, соединенная с двумя полуосями.
Крутящий момент передается от планетарной шестерни полуосям и закрепленным на концах колесам.

Без дифференциала редуктор поровну распределяет крутящий момент на 2 оси, в результате колеса вертятся с одинаковой скоростью. Такое разделение вполне годится для прямолинейного движения, которое в реальности встречается довольно редко – даже при езде по ровным участкам трассы автомобиль отклоняется от прямой линии.

Чтобы машина идеально прошла поворот, колеса одного моста должны вращаться с разными скоростями, поскольку внешнее катится по более широкой дуге. Простой редуктор, обеспечивающий одинаковое вращение обеих полуосей, на повороте заставит одну шину скользить, вторую – буксовать, что заметно ухудшает маневренность авто.

Справка. Проблема весьма актуальна для внедорожников с постоянным полным приводом. В данном случае крутящий момент делится не только между колесами, но и между осями, вращающими редукторы переднего и заднего моста.

Совмещенный с планетарным редуктором дифференциал нужен для изменения угловых скоростей правого и левого колеса в зависимости от крутизны поворота. Механизм автоматически распределяет крутящий момент на полуоси, позволяя колесным покрышкам совершать разное число оборотов при движении автомобиля по дуге. Без дифференциала нормальная эксплуатация транспортного средства невозможна по таким причинам:

недостаточная управляемость;
быстрое истирание шин;
ускоренный износ деталей редуктора, валов и полуосей.

Как работает свободный дифференциал?

Механизмами данного типа оснащается подавляющее большинство машин с приводом на переднюю либо заднюю ось. В первом случае узел размещается внутри коробки передач, во втором является частью планетарного редуктора заднего моста.

Конструкция планетарной передачи подразумевает использование шестеренок конической формы. Существуют и другие разновидности автомобильных редукторов – цилиндрические, конусно-цилиндрические и червячные.

Устройство дифференциала свободного типа предусматривает совмещение с главной передачей. Механизм заднего моста включает следующие детали:

хвостовик с конической ведущей шестерней, соединенный с карданным валом;
ведомая планетарная шестеренка;
корпус ведомой шестерни оборудован двумя проушинами, куда вставляются оси сателлитов;
сателлитные шестеренки конической формы;
ведомые шестерни полуосей;
подшипники;
корпус редуктора.

В легковых авто устанавливается 2 сателлита, на грузовиках – четыре.

Изучить принцип работы свободного дифференциалапредлагается на примере:

Пока машина едет прямо, колеса крутятся с одинаковой скоростью. Хвостовик вращает «планетарку» вместе с закрепленными на ней сателлитами, причем последние остаются неподвижными и передают равный крутящий момент обеим осям за счет давления на зубья.
Автомобиль входит в поворот. Крутящиеся вместе с большой шестерней сателлиты начинают вращаться вокруг собственной оси, причем в разные стороны.
Мощность на валу делится не пополам, а в зависимости от крутизны дуги. Благодаря комбинированному вращению сателлитов полуоси и колеса совершают разное число оборотов, машина успешно преодолевает поворот без проскальзывания и пробуксовки резины.

Дифференциал получил название свободного, поскольку передает больший крутящий момент на колесо, которое вращается легче. Понятно, что на повороте шина внутри дуги сопротивляется вращению, поэтому дифференциал отдает больше мощности другой оси – противоположное колесо крутится быстрее.

Примечание. Полноприводные авто и внедорожники оснащаются тремя дифференциальными разделителями мощности – межосевым (ставится в раздаточной коробке) и двумя межколесными.

Свободный механизм решает главную проблему, но создает побочную. Когда одна покрышка начинает контактировать со скользким покрытием – льдом, укатанным снегом, грязью, начинается пробуксовка. Причина – дифференциальный механизм, отдающий максимум мощности в сторону наименьшего сопротивления. Для предотвращения подобных ситуаций на многих автомобилях задействована временная блокировка дифференциала.

Разновидности механизмов

Чтобы избавиться от пробуксовок на скользком дорожном покрытии либо в условиях бездорожья, производители комплектуют транспортные средства дифференциальными устройствами следующих конструкций:

механизм свободного типа с принудительной блокировкой от привода;
частично блокирующийся дифференциал повышенного сопротивления;
самоблокирующаяся червячная передача типа Torsen.

В первом варианте применяется рассмотренный выше шестеренчатый узел, дополнительно оснащенный блокировочным устройством. Система функционирует просто: в случае необходимости водитель активирует привод, фиксирующий сателлиты в неподвижном состоянии. Крутящий момент начинает делиться ровно пополам, оси вращаются с одинаковой скоростью и транспортное средство успешно преодолевает проблемное место.

Принудительная блокировка межосевого дифференциала включается с помощью различных приводов:

механический – от рычага раздаточной коробки;
электрический;
пневматический;
гидравлический.

Аналогичные приводные элементы применяются для остановки и удержания сателлитов переднего либо заднего моста.

Автомобили дорогой комплектации производители оснащают антипробуксовочной системой. Она «обманывает» дифференциальное устройство другим способом: по сигналу датчика, фиксирующего быстрое вращение одного колеса, электроника отдает команду его притормозить. Тогда сателлитные шестеренки начинают передавать больше мощности на другую ось и авто прекращает «грестись» на месте.

Устройство повышенного сопротивления

Помимо сателлитов, ведущих и ведомых шестерен, дифференциал повышенного трения включает такие элементы:

корпус, жестко прикрепленный к планетарной шестеренке;
пакет фрикционных дисков, установленных на каждой полуоси;
стальные диски, чьи выступы зафиксированы в корпусе;
распорная пружина, вставленная между коническими шестернями полуосей.

Стальные и фрикционные диски (похожие применяются в сцеплении) установлены поочередно, первые вращаются вместе с корпусом, вторые – с осями. Конусообразная шестеренка надета на шлицы оси и способна смещаться на определенное расстояние. Пружина поддавливает 2 противоположных осевых шестерни.

Частичная блокировка дифференциала происходит следующим образом:

На прямолинейном сухом участке дороги сателлиты неподвижны, а диски вращаются друг относительно друга.
При попадании одной шины на скользкий участок начинается пробуксовка. Благодаря конусной форме зубьев шестеренки со стороны остановившегося колеса начнут взаимно отталкиваться.
Шестерня полуоси сдвинется и сожмет пакет дисков. Возникнет сила трения, заставляющая ось вращаться вместе с корпусом напрямую от «планетарки» в обход сателлитов.

Подобное устройство самостоятельно регулирует степень блокировки – чем медленнее крутится покрышка с хорошим сцеплением, тем сильнее сжимаются диски и подается больше крутящего момента.

Самоблокирующиеся передачи Torsen

Принцип работы данных механизмов базируется на одной особенности червячной пары: шестеренка способна передавать вращение сателлиту, но обратное действие невозможно. Все шестерни, включая сателлитные, сделаны в виде цилиндров с косыми дугообразными зубьями. Всего в механизме применяется 3 пары червячных сателлитов, установленных вокруг шестеренок полуосей.

Самоблокирующийся дифференциал работает так:

Во время прямолинейного движения червячные сателлиты ведут себя аналогично конусным – не крутятся сами, но вращают оси от главной передачи.
На повороте число оборотов одной полуоси вырастет и она придаст вращение парам сателлитов – мощность начнет распределяться по-разному.
Поскольку каждая пара сателлитов связана между собой прямозубой передачей, пробуксовка одного колеса исключается. Ось способна крутить свой сателлит, тот вращает соседний, который уже не может поворачивать вторую полуось. Механизм блокируется автоматически.

Устройство Torsen – самое надежное и передовое, но слишком дорогое, поэтому ставится на машины максимальной комплектации. В остальных применяются более доступные механизмы повышенного трения.

В среде любителей экстремальной езды по бездорожью известен простейший способ избежать пробуксовок – блокировка заднего дифференциала с помощью сварки. Сателлиты намертво привариваются к осям и всегда находятся в неподвижном состоянии. Правда, подобные автомобили предназначены только для езды по грунту и снегу – эксплуатировать их на твердом покрытии чересчур неудобно и дорого.

Планетарной называется коробка передач с подвижными осями. Любая планетарная коробка передач (ПКП) состоит из нескольких планетарных рядов, каждый из которых в отдельности или в сочетании с соседними обеспечивает требуемое передаточное число.

Наиболее широкое распространение получили планетарные передачи с внутренним и внешним зацеплениями зубьев. Чтобы разобраться в устройстве и работе сложной планетарной коробки передач, необходимо хорошо знать свойства элементарного планетарного ряда.

Для обеспечения работы планетарного ряда необходимо наличие в нем ведущего, ведомого и тормозного элементов. Любой из трех элементов (солнечная шестерня, водило, эпициклическая шестерня) может выполнять роль ведущего, ведомого или тормозного элемента.

В планетарных передачах бывает планетарный ряд с двумя ведущими и одним ведомым элементами (двухпоточные механизмы) или с одним ведущим и двумя ведомыми элементами (дифференциалы). Тормозные элементы в таких случаях отсутствуют.

Планетарные передачи находят широкое применение в трансмиссиях ТС: в коробках передач, раздаточных коробках, дифференциалах, механизмах поворота и колесных (бортовых) передачах.

На рисунке представлена схема планетарной коробки передач, используемой в трансмиссии некоторых четырехосных полноприводных колесных машин совместно с комплексной гидропередачей (КГП), вал турбинного колеса которой является ведущим для планетарной коробки передач. Планетарная коробка передач включает в себя два взаимно связанных планетарных ряда с внешним и внутренним зацеплениями, три тормоза Т1 Т2, Тзх и фрикцион Ф3. Указанные элементы позволяют получить три передачи для движения вперед и одну передачу для ЗХ. На валу турбинного колеса Т комплексной гидропередачи установлена шестерня 1

Рис. Схемы планетарной коробки передач в гидромеханической трансмиссии четырехосной полноприводной колесной машины (а) и зацепления шестерен (б):
1 - солнечная шестерня; 2 - водило; 3, 7 - сателлиты; 4 - эпициклическая шестерня первого ряда; 5 - эпициклическая шестерня второго ряда; 6 - солнечная шестерня второго ряда; Аь Ап - реакторы; Н, Т - насосное и турбинное колеса; Т1, Т2 - тормоза I и II передач; Тзх - тормоз ЗХ; Вм - ведомый вал гидромеханической трансмиссии; Ф3 - фрикцион III передачи; Фг - фрикцион комплексной гидропередачи; n1, n2 - частота вращения солнечных шестерен, n’1, n’2 - частота вращения эпициклических шестерен; nв1, nв2 — частота вращения сателлитов; Wвщ - угловая скорость ведущего вала первого планетарного ряда

Сателлиты 3 (длинные) находятся в постоянном зацеплении с солнечной шестерней 7, эпициклической шестерней первого ряда 4 и сателлитами 7 (короткими) второго планетарного ряда, которые в свою очередь находятся в постоянном зацеплении с солнечной 6 и эпициклической 5 шестернями второго планетарного ряда. Водило 2 у обоих планетарных рядов общее. В нем закреплены оси сателлитов 3 и 7(длинных и коротких). Водило соединено с ведомым валом Вм гидромеханической трансмиссии.

Включение той или иной передачи осуществляется блокировкой одного из четырех фрикционных узлов, три из которых неподвижные (тормоза), а четвертый вращающийся (фрикцион Ф3).

Движение на I передаче обеспечивается включением тормоза Ть который затормаживает эпициклическую шестерню 4 первого планетарного ряда, в результате чего длинные сателлиты 3 обкатываются по этой шестерне, и водило, скрепленное с ведомым валом гидромеханической трансмиссии, вращается в несколько раз медленнее вала турбинного колеса комплексной гидропередачи.

При включении II передачи блокируется тормоз Т2, затормаживающий солнечную шестерню 6 второго планетарного ряда. Получая вращение от солнечной шестерни 1 через длинные сателлиты 3, короткие сателлиты 7 обкатывают неподвижную солнечную шестерню 6 и заставляют водило 2 вращаться с определенной частотой, большей, чем на I передаче.

Включение III передачи осуществляется блокировкой фрикциона Ф3, соединяющего в одно целое солнечную б и эпициклическую 5 шестерни второго планетарного ряда. Короткие сателлиты 7 заклиниваются между этими шестернями, и вся планетарная передача вращается как единое целое с частотой турбинного вала комплексной гидропередачи - получаем так называемую прямую передачу с передаточным числом, равным единице.

При включении передачи ЗХ блокируется тормоз Тзх, затормаживающий эпициклическую шестерню 5 второго планетарного ряда. В этом случае короткие сателлиты 7, обкатываясь по неподвижной шестерне 5, заставляют водило 2 вращаться с определенной частотой в направлении, противоположном вращению турбинного вала комплексной гидропередачи.

Рис. Конструкция планетарной коробки передач в гидромеханической трансмиссии четырехосной полноприводной колесной машины:
1 - вал привода насосного колеса КГП; 2 - корпус фрикциона блокировки КГП; 3 - поршень фрикциона блокировки КГП; 4 - ведомый диск фрикциона блокировки КГП; 5 - турбинное колесо; 6 - кожух КГП; 7 - насосное колесо; 8 - реакторы КГП; 9 - муфты свободного хода реакторов; 10 - кожух КГП; II - вал турбинного колеса; 12 - поршень тормоза II передачи; 13 - поршень тормоза передачи ЗХ; 14 - поршень фрикциона III передачи; 15 - ось короткого сателлита; 16 — эпициклическая шестерня второго планетарного ряда; 17 - короткий сателлит; 18 - солнечная шестерня второго планетарного ряда; 19 - длинный сателлит; 20 - солнечная шестерня первого планетарного ряда; 21 - пружина; 22 - толкатель; 23 - эпициклическая шестерня первого планетарного ряда; 24 - водило; 25 - шестерня привода заднего насоса; 26 - ведомый вал ПКП; 27 - шестерни заднего насоса; 28 - поршень тормоза I передачи; 29 - картер ПКП; 30 - корпус маслозаборника; 31 - ось длинного сателлита; 32 - промежуточный картер; 33 - шестерня переднего насоса; 34 - шестерня привода насосов; Т1, Т2, Тзх - тормоза I, II передач и передачи ЗХ; Ф3 - фрикцион третьей (прямой) передачи

При размыкании всех фрикционных узлов водило не вращается, т.е. обеспечивается нейтральное положение в коробке передач.

Для управления гидромеханической трансмиссией применяется гидравлическая система, обеспечивающая дистанционное переключение передач, а также блокировку фрикциона Фг комплексной гидропередачи.

Планетарные коробки передач обладают следующими достоинствами:

простота и легкость управления
приспособленность ддя применения автоматических систем переключения передач
безударность, бесшумность и плавность переключения передач
высокая надежность
разгруженность валов от изгибающих моментов
возможность обеспечения больших передаточных чисел при малых размерах
высокий КПД

К недостаткам планетарной коробки передач следует отнести сложность конструкции и высокую стоимость. Конструкция такой планетарной коробки передач показана на рисунке.

На некоторых многоосных полноприводных колесных машинах в составе гидромеханической трансмиссии применяется модернизированная коробка передач, которая имеет четыре передачи переднего и две передачи заднего хода. В отличие от рассмотренной планетарной коробки передач модернизированная планетарная коробка передач включает в себя три планетарных ряда и пять фрикционных элементов, работающих в масле. Левый и средний планетарные ряды имеют общее водило, на шлицах которого установлена солнечная шестерня третьего (правого) планетарного ряда. Эпициклическая шестерня этого ряда является одновременно ступицей тормоза, а солнечная шестерня и водило могут соединяться между собой фрикционом. В среднем планетарном ряду отсутствует эпициклическая шестерня и связанный с ней тормоз. Остальные элементы аналогичны рассмотренным. Модернизированная планетарная коробка передач является механизмом с тремя степенями свободы и для получения каждой передачи нужно одновременно включить два фрикционных элемента. Выходным валом в этой коробке передач является вал водила правого (третьего) планетарного ряда.

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:

Передний привод – картер коробки передач.
Задний привод – корпус ведущего моста.
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:

конический;
цилиндрический;
червячный.

По количеству зубьев шестерен полуосей:

симметричный;
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:

прямолинейное движение;
поворот;
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.