Как работает дифференциал

1. Для чего нужен дифференциал.

Статья для тех, кто вдруг (внезапно:)) заинтересовался тем, как работает дифференциал. Эта штуковина есть в любом современном автомобиле (да и в несовременных, наверное, тоже). Дело в том, что данное устройство необходимо для нормальной езды при прохождении поворотов.

Итак, начнём с того, что во время поворота колёса на одной оси проходят неодинаковое

расстояние. Внешнее от центра поворота колесо проходит большее расстояние, так как радиус описываемого им круга больше.

Если колёса не ведущие и находятся каждое на своей полуоси проблем нет. Они просто крутятся с разной скоростью, будучи никак не связаны между собой. Но с ведущими колёсами так не получается, ведь они связаны между собой трансмиссией (от лат. transmissio — пересылка, передача). То есть оба колеса на одной оси должны принимать крутящий момент от двигателя через трансмиссию, в которую обычно входит сцепление, коробка передач, главная передача с дифференциалом, ведущие полуоси и ШРУСы. В случае с задним приводом перед главной передачей добавляется кардан и убирается ШРУС.

На прямой оба (или сколько их там есть, неважно) ведущих колеса вращаются с одинаковой скоростью и друг дружке не мешают. Но если они продолжат вращаться с одинаковой скоростью в повороте, то внутреннее колесо всё время будет пробуксовывать, что очень плохо для управляемости и устойчивости машины. К тому же износ резины будет бешеный.

Теоретически возможно что и внешнее колесо будет как бы «тащиться» за внутренним, не успевая проворачиваться с нужной для нормального качения скоростью, но на практике во время поворота на него ложится больше «условной половины» веса автомобиля за счёт действия центробежной силы, поэтому внутреннему колесу провернуться легче.

Столкнулись с этой проблемой давно (изобретён дифференциал аж в 1825 году), но животрепещущей она стала с расцветом автомобилестроения , увеличения скорости движения и, соответственно, критичности проскальзывания колеса. Поначалу пытались делать привод на одно колесо, но это, конечно, не вариант для нормальной езды. Любой ребёнок катаясь на машинке с электроприводом может в этом убедиться, там как раз одно колесо ведущее:).

В общем, дифференциал нужен для того, чтобы ведущие колёса имели возможность вращаться с разной скоростью при этом оставаясь связанными с двигателем.

2. Принцип работы дифференциала.

За счёт чего же дифференциал может передавать разную скорость вращения на колёса? Признаюсь, в своё время в школе на Автоделе я, наверное, половину урока потратил, допытываясь у преподавателя, как же всё-таки он работает, пока наконец не понял:).

В общем, смотрим на рисунок (для простоты я взял задний привод, на переднем функционально то же самое, просто дифференциал спрятан внутри КПП):

1. Полуось с шестернёй.
2. Ведомая шестерня.
3. Сателлит.
4. Ведущая шестерня.

От двигателя усилие передаётся через ведущую шестерню на ведомую шестерню. Та жёстко соединена с крестовиком водила дифференциала, на котором находится сателлит. Сателлит может свободно вращаться в обе стороны вокруг своей оси, при этом находится в зацеплении с шестернями обеих полуосей, от которых вращение идёт на колёса.

При езде по прямой обе полуоси крутятся с одинаковой скоростью и сателлит вращается вместе с ведомой шестернёй, не вращаясь при этом вокруг своей оси. Вернее, если следовать последовательности действия силы, то ведомая шестерня вращается вместе с сателлитом, а он передаёт вращение на полуоси, распределяя крутящий момент пополам.

Но если возникает необходимость увеличения скорости одного из колёс (как при повороте), то сателлит начинает вращаться вокруг своей оси, добавляя ему скорости, и убавляя на то же значение скорость вращения другого колеса. Вот, в общем-то, и всё нехитрое, но гениальное в своей простоте решение. Для меня, помню, самым сложным было представить мысленно, как сателлит одновременно крутится по оси ведомой шестерни и своей собственной. Ниже есть видео, наглядно демонстрирующее весь процесс в движении. И да, сателлитов может быть не два, а четыре, расположенных крестом.

3. Межосевой и межколёсный дифференциал.

В полноприводном автомобиле усилие передаётся на все четыре колеса. Поэтому и решать проблему с разностью скоростей вращения приходится относительно всех четырёх колёс. В этом случае ставят межколёсные дифференциалы на каждую ось (т. е. дифференциал «разрешающий» разноскоростное вращение на одной оси, располагается между колёс этой самой одной оси) и ещё один дифференциал — межосевой, как явствует из названия, ставят между осями, обычно в раздаточной коробке («раздаёт» мощность с двигателя на две оси, если говорить о 4×4).

Выглядит примерно так:

Да, не всегда полный привод означает наличие межосевого дифференциала. В так называемых part-time (т. е. непостоянно, подключаемо) полноприводных машинах дифференциала может и не быть, поскольку в этом случае предусматривается, что полный привод будет подключаться там, где возможны проскальзывания колёс (грязь, снег, лёд). Преодолевая такие участки пути автомобиль будет двигаться недолго и небыстро, а значит, можно не усложнять конструкцию и смириться с некоторым проскальзыванием. Поэтому в таких машинах чётко прописано ограничение по подключению полного привода (скорость, время работы).

В случае, если полный привод постоянный (full time), там стопроцентно стоит межосевой дифференциал той или иной конструкции.

4. Зачем нужна блокировка дифференциала.

Наличие дифференциала не только решает одни проблемы, но и создаёт другие. Особенность его такова, что крутящий момент всегда будет передаваться по более лёгкому пути, т.е. на колесо, которое прокрутить легче. На практике это означает, что если вы одним ведущим колесом стоите на асфальте, а другим — на льду, то тронуться вам если и удастся, то с большим трудом, поскольку из-за наличия дифференциала всё усилие уйдёт на проскальзывающее на льду колесо. Оно будет вращаться с бешеной скоростью в то время как другое колесо будет стоять без движения. Думаю, каждый автоводитель сталкивался с такой ситуацией.

Помню мне как-то пришлось помогать вытолкнуть RangeRover Vogue (или Evoque, уже не помню), вставший во дворе одним колесом в ямку со льдом. За рулём сидела девушка, а её муж, матерясь на «очередное говно за два миллиона», вместе со мной враскачку выталкивал машину из ямки. Дело было давно, тогда такие машины ещё стоили два миллиона:)).

Чтобы решить эту проблему придумали блокировку дифференциала. То есть при определённых условиях работа дифференциала (условно, вращение сателлитов вокруг своей оси) может быть заблокировано. Иногда это можно сделать вручную. Например, на Ниве межосевой дифференциал блокируется специальным рычагом с места водителя. Есть машины, на которых все дифференциалы можно заблокировать с кнопки в салоне.

Схематически блокировка дифференциала выглядит таким образом: На одной из полуосей стоит кулачковый механизм, при включении блокировки входящий в жёсткое зацепление с ответной частью на ведомой шестерне/водиле. Таким образом блокируется возможность сателлита прокручиваться вокруг своей оси, так как усилие идёт уже не через него, а непосредственно с ведомой шестерни на полуось. А раз шестерня полуоси не даёт крутиться сателлиту, то и вторая полуось является как бы жёстко подключенной через неподвижный сателлит.

5. Дифференциал повышенного трения (самоблокирующийся дифференциал).

Помимо принудительной блокировки дифференциала на машины могут устанавливать самоблокирующиеся дифференциалы, или LSD (limited slip differential). Такие агрегаты могут блокироваться самостоятельно при достижении определённого условия, как правило, определённой разницы в скорости вращения полуосей. В принципе это оптимальный выбор для среднестатистического полноприводника, поскольку на хорошей дороге они ведут себя как обычные «открытые» дифференциалы, а в случае проскальзывания постепенно («мягко») блокируются и передают момент на колесо с более лучшим сцеплением.

Существует достаточно много разновидностей устройства таких дифференциалов, общим для всех является то, что работают (включаются) они за счёт повышения трения при пробуксовке одного из колёс.

6. Масло для дифференциала (заднего моста).

Поскольку дифференциал — это устройство с вращающимися и трущимися между собой деталями, в нём необходимо использовать смазочный материал. Как правило это специальное масло для мостов.

Специальность, впрочем, условная. В обычные задние мосты (где и стоит межколёсный дифференциал у обычных заднеприводных авто типа «классики») заливается трансмиссионное масло с допуском GL-5. По-другому его ещё называются маслом для гипоидных передач. Гипоидная (червячные) передача — самый тяжелонагруженный тип шестерёнчатой передачи в автомобиле, поэтому масло нужно наиболее износостойкое.

Дифференциалы переднеприводных авто смазываются маслом, заливаемым в КПП (поскольку конструктивно являются её частью). Это либо GL-4, либо универсальное GL-4/GL-5.

Для дифференциалов повышенного трения требуется особое масло с маркировкой LSD (т.е. для limited slip differential). Это объясняется тем, что принцип работы на трении учитывает в том числе свойства масла, которые должны отличаться от обычной трансмиссионки.

7. Наглядное видео о том, как работает дифференциал.

8. Итого.

Традиционное «итого» по вопросу о том, как работает дифференциал:

• Дифференциал нужен для того, чтобы ведущие колёса имели возможность вращаться с разной скоростью при этом оставаясь связанными с двигателем. Нужно это для устойчивого и безопасного прохождения поворотов.
• Возможность разноскоростного вращения полуосей достигается за счёт наличия в дифференциале сателлитов, которые вращаясь вокруг своей оси могут добавлять скорость одной полуоси на столько же убавляя при этом скорость другой.
• Помимо межколёсного дифференциала бывает межосевой. Устанавливают там, где больше одной ведущей оси (полноприводные легковушки, либо 4×6 и больше грузовики). В случае подключаемого полного привода межосевой дифференциал может и не стоять (как, например, на Suzuki Jimny).
• Проблемой дифференциала является его свойство передавать максимальное усилие на то колесо, которое легче вращать, в результате машина стоя одним колесом в грязи или на льду, этим колесом и будет буксовать. Чтобы этого избежать, существуют блокировки дифференциала. Они «выключают» дифференциал, заставляя мост передавать усилие на оба колеса в любом случае.
• Помимо дифференциалов с принудительной блокировкой есть самоблокирующиеся дифференциалы (так называемые «самоблоки»), или LSD (limited slip differential). В отличие от принудительных включаются сами в момент проскальзывания одного из колёс/осей (в случае межосевого дифференциала). Бывают различных конструкций, с различными долями передаваемого усилия.
• Для дифференциала, который располагается в мосте, используется трансмиссионное масло. Если есть гипоидная передача, то GL-5, если переднеприводной ширпотреб, то GL-4. Для дифференциалов LSD, нужно специальное масло с такой маркировкой.