Для чего в автомобиле нужен дифференциал и как он работает

Конструкция современного автомобиля достаточно сложная, даже если речь идёт о самых бюджетных моделях, оснащённых ограниченным количеством различного оборудования и систем.

Но одним из неотъемлемых элементов большинства транспортных средств выступает дифференциал (ДФЦ). Он необходим в машине для обеспечения разных оборотов при вращении колёс. При этом не все понимают, зачем это нужно на автомобиле, кто отвечает за такие функции и как работает дифференциал.

Если говорить коротко, то дифференциалом называют элемент или механизм трансмиссии автомобиля, который предназначен для перераспределения крутящего момента, подводимого к нему. Именно это и придаёт колёсам разную угловую скорость по мере необходимости. Но этот компонент требует более детального изучения.

Зачем он нужен

Для начала нужно разобраться, что же такое дифференциалы в автомобилях. Не все знают, но в машинах колёса вращаются с несколько разной скоростью. Это наиболее становится заметным при входе в повороты. При таком манёвре каждое колесо преодолевает различное расстояние. Причём внутренние шины проходят меньшую дистанцию, чем внешние.

Это вызывает необходимость колёсам, которые преодолевают меньшую дистанцию, проехать одинаковое расстояние с внешними колёсами, но при меньшей скорости. То есть, когда автомобиль поворачивает влево, именно левые шины крутятся медленнее, а правые быстрее. И наоборот.

Не стоит забывать и о разнице в преодолеваемой дистанции между передними и задними колёсами.

Если это машина с моноприводом (передний или задний), здесь особой роли не играет разница скорости вращения между передними и задними покрышками. Они не связаны друг с другом и осуществляют своё вращение независимо.

Но при этом ведущие колёса всегда между собой связаны. Их вращение задаёт двигатель и трансмиссия. Причём им нужно приводить в движение оба колеса, но чтобы их скорость вращения была разной. И тут возникает закономерный вопрос касательно того, как это возможно, если двигатель только один. Именно здесь становится ясно, зачем машине нужен этот дифференциал. Чтобы оба ведущих колеса могли вращаться с разной скоростью.

При отсутствии ДФЦ даже поворот под небольшим углом становился бы целой проблемой, поскольку оба колеса вращались бы с одинаковой скоростью. Во время манёвра одно из них скользило или буксовало. Постоянные повороты в таком режиме быстро выводят из строя автомобильную ось.

Как вы понимаете, дифференциал действительно выполняет очень важную задачу, поскольку обеспечивает возможность комфортно и безопасно передвигаться по дорогам, легко входить в повороты и совершать развороты на ограниченном пространстве.

Нюансы применения

ДФЦ необходимы для обеспечения передачи крутящего момента на ведущие колёса и ведущие мосты. Если говорить применительно к грузовому и легковому транспорту, то здесь подавляющее большинство автомобилей, вне зависимости от типа привода, используют межколёсный тип дифференциалов. Он требуется для передачи необходимого вращения колёсам.

Также существует понятие межосевого ДФЦ, который отвечает за распределение момента между мостами. Такая конструкция используется только на машинах с полным приводом.

В зависимости от используемой зубчатой передачи, различают червячные, конические и цилиндрические механизмы. А если отталкиваться от количества зубцов на шестернях полуоси, то деление идёт на несимметричные и симметричные.

В случае с мостами машин на полном приводе, оптимальным выбором считается несимметричный тип с цилиндрической передачей. Это объясняется способностью такой системы распределять момент пропорционально.

Для транспортных средств, имеющих задний и полный привод, принято использовать конические симметричные ДФЦ. Но специалисты отмечают, что наиболее универсальным вариантом является именно червячный вариант. Он подходит для всех устройств и для всех видов привода.

Схема работы

Для чёткого понимания сути следует понять, как работает на автомобилях дифференциал.

Поскольку самым актуальным вариантом для легковых автомобилей выступает именно конический межколёсный ДФЦ, принцип работы системы стоит рассмотреть на его примере. Это позволит понять, как устроен и как функционирует автомобильный дифференциал в различных эксплуатационных условиях:

• при прямолинейном движении;
• в повороте;
• при пробуксовке.

Каждую ситуацию стоит рассмотреть отдельно.

1. Прямолинейное движение. Когда авто движется прямолинейно, нагрузки между колёсами распределяются равномерно. Они движутся с одинаковыми показателями угловой скорости. Расположенные в корпусе ДФЦ сателлиты не осуществляют вращения вокруг своей оси. Крутящий момент передаётся на полуоси с помощью неподвижного зубчатого зацепления от ведомой шестерни главной передачи.
2. Поворот. Здесь речь идёт уже о несколько ином принципе работы автомобильного дифференциала. В этой ситуации происходит распределение нагрузок и сил сопротивления определённым образом. У внутренних колёс с меньшим радиусом поворота воздействующее сопротивление обладает большей силой в сравнении с наружными колёсами. Поскольку нагрузка возрастает, это заставляет снижать их скорость вращения. При этом наружное колесо перемещается по большему радиусу, а потому угловая скорость увеличивается. Это необходимо для плавного поворота без явных пробуксовок. То есть ДФЦ задаёт колёсам разную угловую скорость. Когда полуось внутреннего колеса вращается с меньшей скоростью, это заставляет двигаться сателлиты. Они с помощью конической передачи повышают скорость вращения уже наружной покрышки. При этом крутящий момент, который идёт со стороны главной передачи, не меняется.
3. Пробуксовка. Даже если автомобиль движется прямолинейно, но в условиях бездорожья или скользкой дороги, появляются различные нагрузки, включая пробуксовки. Когда буксует одно колесо, оно теряет сцепление с поверхностью дорожного полотна. Параллельно второе колесо нагружается сильнее и его скорость вращения снижается. Это напоминает поворот по схеме движения. Только в этой ситуации машине наносится вред, поскольку пробуксовывающее колесо потенциально может взять на себя весь крутящий момент от дифференциала, а нагруженное прекратит своё вращение. Это заставит машину остановиться. Чтобы решить такую проблему, используются системы курсовой устойчивости, а также автоматическая и ручная блокировка межосевых дифференциалов, что актуально для внедорожных авто.

Вопрос блокировки вообще заслуживает отдельного внимания, поскольку без неё могут проявляться всевозможные недостатки классической конструкции ДФЦ.

Зачем нужна блокировка

Столкнувшись с ситуациями, когда в работу включаются сателлиты дифференциала, после нормализации состояния машины необходимо вернуть всё в исходное состояние, то есть колёсам снова нужен одинаковый крутящий момент. А для этого нужно заблокировать сателлиты, либо же передать момент на нагруженную колёсную ось.

Особенно это важно для автомобилей, которые характеризуются повышенной проходимостью и предназначены для бездорожья. То есть речь идёт о полноприводных транспортных средствах. И дело не только в самом бездорожье.

Подобные авто отличаются тем, что у них в конструкции предусмотрено сразу 3 ДФЦ. Два их них межколёсные, а ещё один межосевого типа. Если машина теряет сцепление с поверхностью хотя бы одним колесом, крутящий момент на всех остальных колёсах начнёт стремиться к нулю. И тогда ситуация обернётся тем, что авто ехать не сможет. Это к вопросу том, что такое блокировка для дифференциала на автомобиле и что даёт наличие данной системы.

Чтобы предотвратить подобные неприятные ситуации, существует так называемая блокировка дифференциала. Она бывает частичной и полной, а также делится на автоматическую и ручную.

Превосходно себя показали самоблокирующиеся ДФЦ. Их особенность заключается в распределении крутящего момента на основе анализа разности значений на полуосях, либо же на основании из параметров угловой скорости каждого из колёс.

Самой сложной с позиции реализации считается электронная блокировка. Она работает в тандеме с системой курсовой устойчивости, и они тесно взаимосвязаны друг с другом. Специальный датчик отвечает за контроль параметров, когда автомобиль движется. Получая информацию от контролеров, система меняет работу машины в автоматическом режиме. Водителю ничего для этого делать не приходится.

Классификация ДФЦ по способу блокировки

Несмотря на все свои объективные преимущества, свободный дифференциал характеризуется одним существенным недостатком. Когда одно из колёс начинает буксовать, сателлит при этом прокручивается и передаёт полный импульс вращения на буксующую покрышку. Это заставляет колесо вращается с большой скоростью. Но проблема в том, что соседняя шина, которая твёрдо стоит на земле, не вращается. Подобный процесс крайне опасен во время передвижения на высоких скоростях.

Не сложно представить, как на дороге образуется участок, который неравномерно покрылся слоем льда. Если проехать по такому участку на авто со свободным дифференциалом, не имеющем блокировки, это грозит опаснейшим неуправляемым заносом.

Чтобы предотвратить подобные опасные ситуации, дифференциалы начали в обязательном порядке дополнять системами блокировок.

При этом существует несколько вариантов блокировки дифференциалов, каждый из которых имеет свой принцип работы блокирующих механизмов. Рассматривают следующие методы:

• с ручной блокировкой;
• самоблокирующиеся;
• с электронным управлением.

Всё это позволяет решить проблему предотвращения пробуксовки. Суть всех систем заключается в том, чтобы временно остановить один из элементов механизма. Реализовать это можно путём блокирования одного колеса, полуоси, ДФЦ или всего двигателя.

В зависимости от способа реализации, принято рассматривать 3 блокировки.

Ручная

Автомобили с принудительной ручной блокировкой дифференциала встречаются достаточно часто, несмотря на наличие более современных и усовершенствованных систем.

Ручная блокировка считается самой простой, поскольку для её отключения требуется непосредственное участие самого водителя.

Для реализации этой функции в транспортном средстве устанавливают специальные кнопки или рычаги, расположенные непосредственно в салоне на определённом расстоянии от водителя, чтобы тот имел возможность легко дотянуться до органа управления.

Используя этот рычаг или кнопку, автомобили блокирует вращение сателлита вдоль собственной оси. В итоге планетарная передача становится стандартной обычной муфтой.

Такие процедуры переключения следует выполнять только тогда, когда автомобиль полностью остановился, а педаль сцепления была выжата до упора.

Опытные водители настоятельно советуют применять блокировку только тогда, когда автомобиль движется на небольшой скорости, преодолевая сложные участки бездорожья. Если ДФЦ отключить, управление практически пропадает, и машина будет стремиться двигаться прямолинейно.

Учитывая все эти нюансы, можно с уверенностью сказать, что управление ручной блокировкой требует обязательного наличия определённых навыков и мастерства от водителя. Ручная блокировка реализована на достаточно популярных внедорожниках, которые оснащаются жёстким типом рамы.

Самоблокировка

Самоблокирующиеся ДФЦ стали следующим шагом в усовершенствовании этого механизма. Система прекрасно подходит для полноприводных авто, но вот относительно того, нужна ли такая блокировка дифференциала в случае переднего привода, возникает много вопросов.

Если говорить применительно к полноприводным авто, то самоблокировка здесь проявляется себя очень достойно. Она была разработана с целью увеличения проходимости с параллельным упрощением самого управления транспортным средством. Всё же ручная блокировка, при всех своих достоинствах, в эксплуатации не особо удобная.

Можно выделить 2 главные системы самоблокирующихся ДФЦ.

1. Speed Sensitive. Подобные дифференциалы включаются в работу, когда полуоси начинают осуществлять своё вращение при разных показателях угловой скорости. Часть конструкции монтируется на чашке ДФЦ, а вторая располагается на полуоси. При нормальном движении рабочие элементы муфты осуществляют независимое движение, что не меняет вращаться полуосям. Если же угловая скорость одного колеса превосходит скорость другого, вискомуфта активизируется, что позволяет автоматически притормаживать. Когда скорость снижается, падает и сила трения, из-за чего узлы снова оказываются независимыми. Эти системы актуальны для тех, кто не собирается покорять сложное бездорожье, но хочет быть уверенным в безопасности при движении по грунтовке или просто в городских условиях.
2. Torque. Считается более современной и высокоэффективной системой. Эти ДФЦ включаются в работу, когда падает скорость вращения одной из имеющихся полуосей. Узел способен контролировать параметры скорости вращения, а также снижать их полностью в автоматическом режиме. Конструкция представлена в виде обычного свободного дифференциала, дополненного фрикционными подпружиненными гасителями скорости. Они располагаются между чашкой ДФЦ и полуосями. Действие основывается на гиподиной передаче, способной разблокироваться самопроизвольно.

Достаточно распространённый вариант системы, который дополнительно делится на 3 подвида. Их обозначают как Т1, Т2 и Т3.

Электронное управление

Важно понимать, что механическая блокировка не является единственной разработкой для современных автомобилей. Не только она позволяет улучить проходимость транспортных средств, а также повысить качество контроля за поведением машины на дороге в разных условиях.

Наглядным примером достойной альтернативы выступает система, где трансмиссия управляется специальной электроникой. Речь идёт о так называемом трекшн-контроле. Это схема, в которой реализован контроль тяги и сцепления автомобильных колёс. Основой трекшна выступает достаточно простой принцип. Система следит и корректирует частоту вращения колёс, используя для этого специальные датчики-контроллеры.

Когда колесо начинает пробуксовку, параллельно включается тормоз и крутящий момент переходить на иную полуось. Изначально может показаться, что в такой ситуации поведение машины будет аналогично ситуации, когда блокируется дифференциал. В действительности системы с электронным управлением оказались заметно эффективнее механических блокировок. Плюс они проще в конструктивном плане и обладают улучшенной надёжностью.

Интересной особенностью трекшн-контроля является то, что он не создаёт дополнительные помехи в работе дифференциала. Напротив, система очень удачно дополняет его.

Этим обусловлен тот факт, что современные внедорожники начали активно оснащать ДФЦ с электронным управлением. Эта система называется Traction Control.

https://www.youtube.com/watch?v=3mz1BpIE-Ec

Подводя итоги, можно сказать, что дифференциалы созданы для повышения уровня безопасности и комфорта при движении и маневрировании по трассам. Все недостатки, которые связывают с дифференциалами, относятся к их использованию в режиме экстремальных условий и бездорожья. И эту проблему также удалось решить с помощью различных систем блокировок.

Дифференциалы называют простыми, но в то же время невероятно важными компонентами трансмиссии. И это более чем справедливая характеристика для этих узлов.