Диференціал автомобіля. Різновиди та особливості функціонування
Зміст
вільні (без блокування);
з ручним блокуванням;
з автоблокуванням.
Диференціалом називається механізм, що передає крутний момент від одного джерела двом споживачам. Його ключовою особливістю є здатність перерозподіляти потужність та забезпечувати різні кутові швидкості обертання споживачів. Стосовно дорожнього транспортного засобу це означає, що за допомогою диференціалу колеса можуть отримувати різну потужність та обертатися з різною швидкістю.
Диференціал є найважливішим елементом автомобільної трансмісії. Спробуймо розібратися, чому так.
Чому не можна обійтися без диференціалу
Строго говорячи, без диференціала можна обійтися. Але тільки доти, поки автомобіль рухається бездоганною трасою, нікуди не згортаючи, а шини у нього однакові і рівномірно накачані. Іншими словами, поки що всі колеса проїжджають однаковий шлях і обертаються з однаковою швидкістю.
Але коли машина входить у поворот, колесам доводиться долати різну відстань. Очевидно, що зовнішня дуга повороту довша за внутрішній, тому колесам, що рухаються по ній, доводиться крутитися швидше, ніж колесам, що проїжджають по внутрішній дузі. Коли вісь не є ведучою, а колеса не залежать одне від одного, то жодної проблеми немає.
Інша річ — провідний міст. Для здійснення нормального керування обертання передається на обидва колеса. За їх жорсткого зв'язку вони мали однакову кутову швидкість й у повороті прагнули проїхати однакову відстань. Поворот був би утруднений і приводив до пробуксовки, підвищеного стирання шин і зайвого навантаження на . Частина потужності двигуна йшла б на пробуксовку, а значить і паливо витрачалося б даремно. Щось подібне, хоч і не так очевидно, відбувається і в інших ситуаціях — при їзді нерівною дорогою, нерівномірним навантаженням на колеса, неоднаковому тиску в шинах, різного ступеня зносу покришок.
Ось тут і приходить на допомогу. Він передає обертання на обидві півосі, але співвідношення кутових швидкостей обертання коліс може бути довільним та змінюватись оперативно залежно від конкретної ситуації без втручання водія.
Види диференціалів
Диференціали бувають симетричними та несиметричними. Симетричні передають на обидва ведених вала однаковий крутний момент, при використанні несиметричних пристроїв моменти, що передаються різні.
Функціонально диференціали можуть застосовуватися як міжколісні та міжосьові. Міжколісний передає крутний момент колесам однієї осі. У передньопривідному авто він розміщений у КПП, у задньопривідному - у картері заднього моста.
У повнопривідній машині механізми знаходяться у картерах обох мостів. Якщо повний привід є постійним, у роздавальній коробці монтується ще й міжосьовий диференціал. Він передає обертання від коробки передач на обидва провідні мости.
Міжколісний диференціал завжди симетричний, а ось міжосьовий зазвичай буває несиметричним, типове відсоткове співвідношення моментів між передньою та задньою віссю – 40/60, хоча може бути й іншим.
Можливість та спосіб блокування визначає ще одну класифікацію диференціалів:
Блокування може бути як повним, так і частковим.
Як функціонує диференціал та навіщо його блокувати
Насправді диференціал — це механізм планетарного типу. У найпростішому симетричному міжколісному диференціалі чотири конічні шестерні — дві півосьові (1) плюс два сателіти (4). Схема працює і з одним сателітом, але другий доданий, щоб зробити пристрій більш потужним. У вантажівках та позашляховиках ставлять дві пари сателітів.
Чашка (корпус) (5) виконує роль водила для сателітів. У ній жорстко закріплено велику ведену шестерню (2). Вона отримує крутний момент від КПП за допомогою провідної шестерні головної передачі (3).
На прямій дорозі колеса, отже, і їх крутяться з однаковою кутовою швидкістю. Сателіти здійснюють оберти навколо колісних півосей, але довкола власних осей не обертаються. Таким чином вони обертають півосьові шестерні, надаючи їм однакову кутову швидкість.
У повороті у колеса, що йде по внутрішній (меншій) дузі, опір коченню більше і тому воно сповільнюється. Оскільки відповідна півосьова шестерня також починає обертатися повільніше, вона змушує крутитись сателіти. Їх обертання навколо своєї осі призводить до збільшення обертів шестерні на півосі зовнішнього колеса.
Подібна ситуація може виникнути і в тих випадках, коли шини мають недостатнє зчеплення з дорогою. Наприклад, колесо потрапляє на лід і починає прослизати. Звичайний вільний диференціал передаватиме обертання туди, де опір менше. В результаті колесо, що прослизає, буде обертатися ще швидше, а протилежне практично зупиниться. Машина не зможе продовжити рух. Причому картина принципово не зміниться і у разі повного приводу, оскільки міжосьовий диференціал також передасть всю потужність туди, де зустріне менший опір, тобто на міст з колесом, що прослизає. У результаті навіть повнопривідний автомобіль може застрягти, якщо забуксує лише одне колесо.
Це серйозно погіршує прохідність будь-якого автомобіля і абсолютно неприйнятно для позашляховиків. Виправити ситуацію можна блокуванням диференціалу.
Типи блокувань
Повне примусове блокування
Досягти повного ручного блокування можна, заклинивши сателіти так, щоб позбавити їх можливості крутитися навколо власної осі. Інший спосіб - ввести чашку диференціала в жорстке зчеплення з піввіссю. Обидва колеса крутитимуться з рівною кутовою швидкістю.
Для включення даного режиму потрібно лише натиснути кнопку на панелі приладів. У приводному пристрої може бути задіяна механіка, гідравліка, пневматика або електродвигун. Така схема годиться і для міжколісних, і для міжосьових диференціалів. Вмикати її можна, коли машина стоїть на місці, а користуватися слід лише на малій швидкості при їзді по пересіченій місцевості. Виїхавши на нормальну дорогу, блокування обов'язково потрібно відключити, інакше керованість помітно погіршиться. Зловживання цим режимом може стати причиною поломки півосі або деталей, пов'язаних з нею.
Найбільший інтерес представляють диференціали, що самоблокуються. Вони не вимагають втручання водія та спрацьовують автоматично, коли виникає потреба. Оскільки блокування в таких пристроях неповне, то ймовірність пошкодження півосей невелика.
Дискове (фрикційне) блокування
Це найбільш простий варіант диференціала, що самоблокується. Механізм доповнено набором фрикційних дисків. Вони щільно прилягають один до одного і через один жорстко закріплені на одній із півосей та у чашці.
Вся конструкція крутиться як єдине ціле, поки швидкість обертання коліс стає різною. Тоді між дисками з'являється тертя, що обмежує зростання різниці швидкостей.
Віскомуфта
Подібний принцип функціонування має і вискомуфта (в'язкова муфта). Тільки тут диски з нанесеною на них перфорацією розміщені у герметичному боксі, весь вільний простір якого заповнений силіконовою рідиною. Її відмінна риса - зміна в'язкості при перемішуванні. Коли диски крутяться з різною швидкістю, рідина перемішується, і чим інтенсивніше перемішування, тим в'язкішою стає рідина, доходячи майже до твердого стану. Коли швидкість обертання вирівнюється, в'язкість рідини швидко знижується, і диференціал розблокується.
Віскомуфт має досить великі габарити, тому використовується частіше як доповнення до міжосьового диференціала, а іноді і замість нього, виконуючи в цьому випадку роль псевдодиференціала.
У вискомуфти є ряд недоліків, які суттєво обмежують її застосування. Це інерційність, значне нагрівання та погана сумісність з ABS.
Торсен
Назва походить від Torque Sensing, тобто "крутний момент, що сприймає". Вважається одним з найбільш ефективних диференціалів, що самоблокуються. У механізмі використається черв'ячна передача. У конструкції також є фрикційні елементи, що додатково передають крутний момент при виникненні пробуксовки.
Є три типи даного механізму. При нормальному зчепленні з дорогим різновидом T-1 і T-2 функціонують як диференціали симетричного типу.
Коли одне з коліс втрачає зчеплення, Т-1 здатний перерозподілити момент, що крутить, у співвідношенні від 2,5 до 1 до 6 до 1 і навіть більше. Тобто колесо, що має краще зчеплення з дорогою, отримуватиме момент більший, ніж у колеса, що прослизає, у зазначеній пропорції. У різновиду Т-2 цей показник нижче - від 1,2 до 1 до 3 до 1, зате менше люфт, вібрації та шум.
Torsen Т-3 спочатку розроблявся як несиметричний диференціал із показником блокування 20…30 %.
QUAIFE
Диференціал Квайф названий на прізвище англійського інженера, який розробив цей пристрій. За конструкцією відноситься до черв'ячного типу, як і Торсен. Відрізняється від нього кількістю сателітів та їх розміщенням. Quaife дуже популярний серед ентузіастів автомобільного тюнінгу.
