Принцип работы дифференциала

Конструкция, принцип работы дифференциала

Дифференциалы, используемые на авто, делаются на основе обычного редуктора планетарного типа. Основными его составными компонентами являются:

• корпус, он же — чашка (выполняет роль ведущего элемента);
• сателлиты;
• ведомые шестеренки;

Видео: Как работает дифференциал / How Differential Steering Works (на русском)

https://youtube.com/watch?v=qbcwdSSq5h4

Эта конструкция может использовать разные виды зубчатых передач:

1. Цилиндрические.
2. Конические.
3. Червячные;

Видео: Дифференциал, обзор конструкции, принцип действия

Редуктор состоит из двух шестерён (малой ведущей и большой ведомой). Часто ведомую из-за ее размера называют еще зубчатым колесом. Вот к ней и крепиться чашка при помощи болтового соединения.  Внутри чашки сделаны оси для крепления сателлитов. Количество их может варьироваться в зависимости от значения крутящего момента. На легковых авто, где усилия не особо высокие, устанавливается по два сателлита, на внедорожниках же их количество может составлять 4 штуки.

Сателлиты находятся в постоянном зацеплении с правой и левой ведомыми шестернями (вторые получаются зажатыми между первыми). Ведомые шестеренки закрепляются посредством шлицевого соединения на полуосях (в переднеприводных авто они соединены с приводными валами).

Количество зубьев на ведомых шестернях может быть как одинаковым (симметричный дифференциал), так и разным (ассиметричный). Первый тип обеспечивает распределение вращения по полуосям (приводным валам) в равном соотношении, а у второго это выполняется в строго определенных значениях.

Из-за этих особенностей симметричный тип используется в качестве межколесного, а ассиметричный – межосевого дифференциалов.

Работает планетарный узел так: во время прямолинейного движения оба колеса ведущей оси получают одинаковое сопротивление от дорожного полотна. Вращение, получаемое от коробки передач передается на ведомое зубчатое колесо редуктора, а вместе с ним и крутиться чашка дифференциала с размещенными в ней сателлитными осями. Поскольку сопротивление одинаково, то сателлиты осуществляют передачу крутящего момента на ведомые шестеренки в одинаковых соотношениях, то есть скорость вращения их, а вместе с ними и полуосей, равна. При этом сателлиты лишь передают вращение, сами же они остаются неподвижными относительно своих осей.

При вхождении в поворот, колеса начинают двигаться по разным радиусам. При этом, идущее по внутреннему радиусу получает большее сопротивление, чем внешнее. Это сопротивление обеспечивает замедление вращения ведомой шестеренки, из-за чего сателлиты начинают крутиться на осях. В результате начала движения сателлитов, скорость вращения полуоси наружного колеса возрастает, то есть происходит изменение угловых скоростей полуосей (приводных валов). Примечательно, что общая скорость вращения обеих полуосей соответствует скорости вращение зубчатого колеса редуктора, но увеличенной вдвое. При этом крутящий момент от разницы угловых скоростей не меняется, и он разделяется на ведущие колеса равномерно.

В результате такой работы узла при прохождении поворотов удается избежать появления пробуксовки и увеличения нагрузки на элементы трансмиссии.

Понятно о дифференциале

Это устройство позволяет автомобилю свободно двигаться в заданном направлении. При повороте левое и правое колеса машины проходят разный путь. А если они жестко соединены, то одно будет проскальзывать, а другое тормозить. Кроме того, в этом случае резко возрастает нагрузка на ось, следствием чего будет ее поломка или чрезмерный износ резины.

Справиться с этой проблемой позволяет дифференциал. На обычных автомобилях он располагается на оси между колесами, что позволяет им вращаться независимо друг от друга. Дифференциал распределяет между колесами поступивший к нему момент, причем не в равной пропорции, а в зависимости от условий движения каждого – на одно больше, на другое меньше.

То же самое относится к мостам в целом (переднему и заднему). Их движение, например в повороте, также различается. Для распределения усилий применяют так называемый межосевой дифференциал. Благодаря ему, в зависимости от условий движения, передаваемый на передний и задний мосты момент будет различаться.

Типы устройств блокировки

Блокирующее устройство узла зависит от его типа и используемого механизма. Различные функции ограничены и определяют возможность их использования в межосевых или межколесных дифференциалах.

Кулачковое устройство блокировки

Принудительная блокировка происходит вручную через кулачковую муфту. Муфта полностью блокирует механизм и жестко соединяет его корпус с нагруженной полуосью. Кулачковый дифференциал приводится в действие приводами следующих типов:

• механический;
• гидравлический;
• пневматический;
• электрический.

Они включаются рычажным механизмом или специальной кнопкой на панели приборов (для электропривода).

Благодаря своей универсальности кулачковый дифференциал используется в межосевых и межколесных механизмах.

Самоблокирующейся дифференциал

Самоблокирующееся (автоматическое) дифференциальное устройство использует принцип увеличения сил трения при изменении условий нагрузки на полуоси ведущих колес. Отсюда и другое название — «дифференциал повышенного трения» или LSD (Limited Slip Differential).

Дифференциал повышенного трения имеет четыре основных варианта в зависимости от способа увеличения трения:

• дисковый;
• червячный;
• вискомуфта;
• электронная блокировка.

Дисковый

Дифференциал повышенного трения, в котором используется дисковая муфта, использует принцип автоматической блокировки при изменении угловых скоростей полуосей: чем больше их разница, тем выше степень перераспределения крутящего момента.

При использовании этого типа LSD между дисками возникает трение. Один фрикционный пакет имеет жесткое соединение с чашкой дифференциала, другие — с полуосями.

Фрикционные пакеты вращаются с одинаковой скоростью, когда ведущие колеса вращаются тоже, с одной и той же скоростью. При изменении угловой скорости диски ускоряющейся полуоси передают часть крутящего момента на вал другой полуоси (частичная блокировка) за счет увеличения силы трения с фрикционным пакетом корпуса (чашкой).

Степень сжатия в дисковом дифференциале может быть постоянной (за счет пружин) или переменной (гидравлически управляемой).

Червячный

Сателлиты и полуоси с червячной передачей в качестве привода часто используются для создания LSD, блокируемого в результате разности крутящих моментов.

Эта система LSD с червячным приводом известна как Torque Sensing или сокращенно — Torsen. Принцип работы червячной передачи чрезвычайно прост: увеличение крутящего момента на одной полуоси приводит к частичной блокировке и его передаче на другую полуось. В этом случае не требуются никакие дополнительные системы или агрегатов, червячный узел изначально является самоблокирующимся из-за свойств привода, в котором другие шестерни не могут приводить в движение червячную передачу. Червячный привод применяется в колесных и межосевых дифференциалах различных типов машин.

Вискомуфта

Вязкостная муфта состоит из набора близко расположенных перфорированных дисков, которые размещены в герметичном корпусе с силиконовой жидкостью и соединены с чашкой и приводным валом.

При одинаковых угловых скоростях устройство работает в штатном режиме. Его блокировка происходит при увеличении скорости вала: диски на нем увеличивают скорость и, перемешивая силикон и заставляют его затвердеть. Диски чашки получают и передают крутящий момент на другой вал, увеличивая его тяговое усилие.

LSD, блокирующую функцию которого выполняет вязкостная муфта, имеет большие габаритные размеры и применяется в межосевых дифференциалах. Вязкостная муфта также может использоваться как дифференциал полноприводного автомобиля и полностью выполняет его функции.

Однако у нее есть один серьезный недостаток: возможен перегрев и периодическая несовместимость с системой ABS. Это привело к тому, что вискомуфты используются в современных автомобилях крайне редко.

Электронная блокировка

Дифференциал повышенного трения, в котором используется электронная система блокировки, реагирует на изменение угловой скорости ведущих колес.

Дифференциал управляется программно. По мере увеличения скорости колеса в тормозной системе повышается давление, и его скорость уменьшается. Это увеличивает тяговое усилие и передает крутящий момент на другое колесо.

Таким образом, дифференциал не оборудован дополнительными элементами и не блокируется, то есть по сути это не LSD. Перераспределение крутящего момента и выравнивание угловых скоростей происходит под действием тормозной системы, управляемой антипробуксовочной системой.

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:

1. На прямолинейном сухом участке дороги сателлиты неподвижны, а диски вращаются друг относительно друга.
2. При попадании одной шины на скользкий участок начинается пробуксовка. Благодаря конусной форме зубьев шестеренки со стороны остановившегося колеса начнут взаимно отталкиваться.
3. 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:

1. Во время прямолинейного движения червячные сателлиты ведут себя аналогично конусным – не крутятся сами, но вращают оси от главной передачи.
2. На повороте число оборотов одной полуоси вырастет и она придаст вращение парам сателлитов – мощность начнет распределяться по-разному.
3. 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.

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.

Блокировки дифференциалов для «УАЗов», которые серийно производятся:

1. Кулачковая нижегородского производства (самая популярная)

Рис.162. Винтовая системы Torsen Рис.173. Принудительная «Спрут» с пневмоприводом Рис.18

Рис.194. Принудительная (жесткая, муфтовая с храповым зацеплением)Полная принудительная блокировка В принудительных блокировках блокирование дифференциала происходит за счет жесткого соединения одной чаши дифференциала с полуосью при помощи механического либо гидравлического механизма включения. В настоящее время данный тип блокировок производится исключительно для а/м семейства УАЗ, но при необходимости есть все возможности для разработки и производства подобных блокировок на автомобиль любой марки.Механическая блокировка — блокированием посредством рычага и тросиков чаши дифференциала с одной из полуосей. Механизм включения установлен на чулке моста. В общем виде комплект показан на рисунке. Рис.20Гидравлическая блокировка — с использованием главного и рабочего гидроцилиндров. В качестве рабочей жидкости используется тормозная жидкость Инструкция по эксплуатации жесткой принудительной блокировки с механическим или гидравлическим приводом включения на любые мосты УАЗ:

Жесткая блокировка дифференциала переднего и/или заднего мостов предназначена для использования только в случае буксования колес при движении по бездорожью, когда недостаточно подключения переднего моста. После включения необходимо проехать несколько метров для входа в зацепления шлицов подвижной муфты и дифференциала. Не производить включение блокировки при буксовании одного из колес, т. к. это может привести к повреждению системы блокировки. Примечание: не используйте жесткую блокировку в других дорожных условиях, при этом потребуется большее усилие для управление автомобилем особенно при выполнение поворотов, в этом случае в трансмиссии возникнет циркулирующий момент, который может привести к выходу из строя деталей моста (полуось, подвижная муфта блокировки, корпус дифференциала). Не рекомендуется двигаться с включенной блокировкой со скоростью более 10 км/ч.
После преодоления сложного участка блокировку необходимо выключить

Для облегчения разблокировки слегка поверните рулевое колесо влево и вправо во время движения автомобиля.
Категорически запрещается движение с включенной блокировкой по дорожному полотну с высоким коэффициентом сцепления (асфальтовое покрытие, плотная сухая глинистая дорога).
При использовании нестандартных колес (33-38 дюймов) эксплуатировать жесткую блокировку необходимо с повышенной осторожностью, т. к

использование колес большего диаметра приводит к большим нагрузкам и как следствие к возникновению риску выхода из строя деталей трансмиссии.

5. Лок-райт от Иж-Техно (Блокка)

Краткая хар-ка блокировки: очень узкое применение. ВАЖНАЯ ОСОБЕННОСТЬ в том, что ДИФФЕРЕНЦИАЛ практически ПОСТОЯННО ЗАБЛОКИРОВАН. Т.е. при движении на прямой Лок-райт замкнут, и размыкается лишь в поворотах, когда возникает разница в моменте вращения колес. Однако, на скользком покрытии (мокрый, обледенелый асфальт, грунтовка, грейдер) может возникнуть пробуксовка колес, достаточной разницы в моменте вращения колес не возникнет и Блокка останется заблокированной! Т.е. не рекомендуется установка блокировки Блокка (Лок-райт) на УАЗ, который ездит в основном по обычным дорогам. Чем больше разница угловых скоростей колес, тем щелчки громче и чаще.

В условиях дождя, гололеда и т. п

ухудшается управляемость машины
Необходимо проявлять внимание и осторожность при вхождении в повороты
Повышенный износ шин на дорогах с твердым покрытием.
При вхождении в поворот блокировка издает щелчки при срабатывании обгонной муфты.

Итак:

Блокка прекрасно ведет себя на бездорожье, проста и надежна. Но это устройство будет выполнять функции дифференциала, только когда на колесо будет воздействовать внешняя сила, позволяющая вращать колесо быстрее, чем вращается остальная часть трансмиссии. На скользких поверхностях, где одно из колес, как правило, имеет худшее сцепление с поверхностью и буксует — Блокка останется заблокированной и будет передавать момент на оба колеса оси. На поворотах обязательно нужно скидывать газ, проходить их накатом, только в этом случае Блокка разблокируется. Слушайте щелчки — это признак разблокировки и вращения колес с разной скоростью. Ресурс и использование ограничены. Только для грязи.6. ДАК (дифференциал автоматический Красикова)

Рис.21

Рис.22 Пожалуйста, выбирайте, то что Вам больше всего подходит, заказывайте, приезжайте на установку. Если необходима консультация звоните (см.контакты).

DPS

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.

Шестеренчатые самоблокирующиеся дифференциалы

Существует три типа таких дифференциалов:

• планетарные
• Quaife
• Torsen. 

Все они основаны на свойстве косозубой или червячной передачи «заклинивать» при определенном соотношении крутящих моментов. Такие дифференциалы передают большую часть крутящего момента (до 80%) небуксующему колесу. Применяются во внедорожниках и гоночных автомобилях. Недостатки: сложность; большая потеря мощности, чем у обычного дифференциала.Дифференциал типа Torsen изобретен в 1958 г. американцем Верноном Глизманом. Имеет достоинства вязкостной муфты и не имеет ее 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.Рис.10Рис.11Второй тип (T-2).Автором этого типа является англичанин Rod Quaife 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. Даже у нас в России появилось производство аналогичных дифференциалов под отечественные автомобили УАЗ и т. д.Рис.12Рис.13Третий 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.Рис.14В 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.Рис.15В целом, смещение номинального распределения момента между осями возможно в диапазоне от 65/35 до 35/65. Срабатывание частичной блокировки происходит при 20–30% разнице в передаваемых на оси моментах. Так же, подобная структура дифференциала делает его компактным, что в свою очередь, упрощает конструкцию и улучшает компоновку раздаточной коробки.Вышеописанные torque sensitive дифференциалы очень популярны в автоспорте. Более того, многие производители устанавливают такие дифференциалы на свои модели штатно, как в качестве межосевых, так и межколесных дифференциалов. Например, Тойота устанавливает такие дифференциалы как на легковые автомобили (Supra, Celica, Rav4, Lexus IS300, RX300 и. т. д), так и на внедорожники (4Runner / Hilux Surf, Land-Cruiser, Mega-Cruiser, Lexus GX470) и автобусы (Coaster Mini-Bus). Данные дифференциалы не требуют применения специальных присадок к маслу (в отличие от friction-based дифференциалов), однако лучше использовать качественное масло для нагруженных гипоидных передач. Не ниже API GL-5.

Жесткая блокировка

Основная особенность жесткого типа блокировки заключается в том, что после задействования она распределяет момент между осями поровну. То есть, ведущий мост начинает работать как будто дифференциала в его конструкции вовсе нет.

Самым простым конструктивным исполнением полной блокировки является создание жесткой связи между корпусом дифференциала, закрепленного на ведомой шестерне главной передачи, и одной из полуосей. В результате такой связи дифференциал теряет возможность распределения вращения и передачи его только на одно колесо.

Простейшее конструктивное исполнение полной блокировки сводится к посадке на шлицы полуоси дополнительной муфты с механизмом управления. На этой муфте, а также на корпусе дифференциала проделаны зубья, которыми осуществляется зацепление этих элементов.

Для блокировки достаточно лишь ввести в зацепление муфту с корпусом и полуось получается жестко связанной с главной передачей.

Механическая блокировка

Полная блокировка используется как на межколесных, так и межосевых дифференциалах внедорожников и имеет исключительно принудительное ручное включение. При этом нередко этот механизм на переднем мосту не используется, чтобы не влиять на управляемость авто.

Принцип работы механизмов полной блокировки идентичен для всех вариантов, отличия заключаются лишь в конструктивном исполнении. А вот приводы их могут быть разными:

• механический;
• гидравлический;
• пневматический;
• электрический.

При этом все виды приводов выполняют одну задачу – вводят в зацепление муфту с корпусом.

Механический тип привода представлен в виде системы тяг и рычагов, гидравлический — двумя цилиндрами (главным и рабочим), соединенных между собой трубопроводной магистралью, пневматический – пневмоцилиндром с рабочей камерой, электрический – электродвигателем.

Достоинством жесткой блокировки является обеспечение высокой проходимости авто, поскольку при любых условиях колеса всегда двигаются с одной скоростью.

Но есть и недостатки:

• Повышенная нагрузка на трансмиссию;
• Невозможность движения по дорогам с твердым покрытием;
• Не допускаются высокие скорости передвижения;
• Ручное управление.

Несмотря на это многие любители полноценных внедорожников предпочитают именно этот тип блокировки.

Когда надо пользоваться блокировкой

В условиях нормальной дороги на «Ниве» ничего включать не надо. А вот на проселке или перед крутым подъемом водителю стоит подумать о подстраховке. Как работает блокировка на «Ниве», мы уже выяснили. Так что к ее помощи стоит прибегать в случае возникновения препятствий при движении, и сделать это надо заблаговременно, до того как машина застряла.

Если впереди трудный участок, то лучше всего заранее включить блокировку, тем более что много времени это не занимает. Надо только помнить, что пользование блокировкой без необходимости не способствует сохранности автомобиля, приводит к перерасходу бензина и износу резины.

Виды

Существует несколько типов блокировки. Так, при полной узлы в дифференциале соединяются очень жестким образом, а энергия вращения будет отдаваться на то из колес, у которого сцепление с дорогой лучше. Также существует неполная принудительная блокировка межколесного дифференциала. «Нива» позволяет ограничить воздействие на детали механизма, а крутящий момент повысится на колесе с лучшим сцеплением.
Элемент блокируется следующим образом. Корпус соединяется с одной из полуосей, а движение сателлитов ограничено. При помощи принудительной блокировки обеспечивается действительно полная блокировка колес на одной оси.
Она необходима для того, чтобы машина могла пройти через очень тяжелые и трудные участки.
Привод механизма может быть механическим, электрическим либо пневматическим. Так, например, применение кулачковой муфты позволяет объединить корпус механизма с полуосью.
Пока водитель не включил систему, механизм находится в своем обычном режиме работы. Когда же включается она, то крутящий момент будет равномерно распределен на каждой полуоси.