Как работает дифференциал повышенного трения

• Как устроен дифференциал повышенного трения?
• Виды дифференциалов повышенного трения.
• Сравнение дифференциалов повышенного трения.
• Установка дифференциала повышенного трения.

В процессе эксплуатации машины водители постоянно сталкиваются с необходимостью перераспределения крутящего момента между ведущими колёсами. В процессе движения машины колёса постоянно попадают на различные неровности. Одно из колёс движется, не отрываясь от дороги, а второе зависает в воздухе, соответственно, одно из колёс воспринимает большую нагрузку, другое – меньшую. Такой же эффект возникает при попадании одного из ведущих колёс на скользкую поверхность (лёд, грязь, снег…). При поворотах и разворотах внутренние колёса движутся по меньшему радиусу, внешние – по большему.

Виды дифференциалов повышенного трения.

Все перечисленные примеры отрицательно сказываются на устойчивости и управляемости машины. Машину начинает водить, разворачивать, а при езде на большой скорости опрокидывать (особенно при езде по «стиральной доске»), выбрасывать за пределы дороги при выполнении поворотов. Также при этом возникают большие нагрузки на руль, детали трансмиссии, повышается расход топлива, усиливается износ резины колёс…

Для устранения этих недостатков в трансмиссию машины был внедрён дифференциал, который также должен передавать на колёса все нагрузки, получаемые от двигателя. На машинах более ранних выпусков устанавливались планетарные дифференциалы классической конструкции с симметричной схемой распределения крутящего момента.

ФРИКЦИОННЫЕ

— самоблокирующийся фрикционный многодисковый дифференциал. Состоит из корпуса, сателлитов, оси сателлитов, выходных полуосей, шестерен полуосей, пакетов дисков. Диски поочередно связаны с корпусом дифференциала и шестернями полуосей. Диски подпружинены пружиной;

— самоблокирующийся героторный дифференциал. Конструкция подобна вышеописанному дифференциалу, только вместо пружин установлен поджимной поршень и гидронасос;

— кулачковый (зубчатый) дифференциал. Состоит из сепаратора, наружной звёздочки, внутренней звёздочки, сухарей, двух полуосей, ведомой шестерни главной передачи, корпуса;

— вискомуфта. Состоит из корпуса, ведущего вала, ведомого вала, пакета дисков (дисков ведущего и ведомого валов), ступицы, нажимного диска, 2-х кольцевых нагнетательных поршней, кольцевого рабочего поршня, балансировочной пружины.

ШЕСТЕРЁНЧАТЫЕ

— самоблокирующийся дифференциал (КВАЙФ). Состоит из корпуса, сателлитов левого и правого рядов, полуосевых шестерен (левой и правой), 2-х выходных валов;

— «торсен» первого типа. Состоит из корпуса, сателлитов левого и правого рядов, правой и левой шестерен полуосей, 2-х выходных валов;

— «торсен» второго типа. Состоит из корпуса, сателлита, связанного с правой шестернёй полуоси, сателлита, связанного с левой шестернёй полуоси, правой и левой полуосевых шестерен, левого и правого выходных валов.

Сравнение дифференциалов повышенного трения.

Рассмотрим принцип работы некоторых (наиболее часто встречающихся) дифференциалов повышенного трения.

Самоблокирующийся фрикционный многодисковый дифференциал.

Работа основана на синхронном вращении полуосей с корпусом на прямом участке дороги и разности вращений при выполнении маневров. В этом случае, в работу вступает фрикцион и подаёт дополнительный крутящий момент на отстающую шестерню. Применяется, в основном, на спортивных машинах из-за повышенного износа трущихся дисков;

Самоблокирующийся героторный дифференциал.

Фрикционные диски сжимаются поршнем под давлением жидкости от одного или двух шестерёнчатых насосов. Недостатки примерно такие же, как и для подпружиненного фрикциона;

Кулачковый дифференциал.

Основан на применении кулачковых (зубчатых) пар вместо планетарного механизма. При небольшой разнице в угловых скоростях полуосей зубчатые пары взаимно проворачиваются, а при пробуксовке блокируют оси. Положительные стороны: простота конструкции, доступность монтажа, низкая стоимость. Отрицательные стороны: резкая работа, низкая эффективность, повышенный расход топлива. В связи с этим, устанавливаются, в основном, на военную и специальную технику;

Вискомуфта.

Принцип работы основан на заполнении междискового пространства фрикциона динатантной жидкостью, силиконовой, способной загустевать и увеличиваться в объёме при повышении температуры. С увеличением разности во вращении полуосей увеличивается температура от трения, соответственно, увеличивается вязкость жидкости и, как результат, сцепление дисков. Преимущества: простота конструкции и эксплуатации. Недостатки: малая эффективность, громоздкость конструкции, инертность в использовании. В связи с массивностью, в основном применяются для межосевых дифференциалов;

Дифференциал фирмы «Квайф».

В данном дифференциале оси с сателлитами закрыты в корпусе (в специальных отверстиях), расположены в два ряда параллельно оси вращения корпуса. Сателлиты из разных рядов зацепляются между собой попарно винтовыми зубьями;

— «торсен» первого типа. Каждая полуось имеет свои сателлиты, попарно связанные с сателлитами другой полуоси. Зацепление прямозубое, ось сателлита перпендикулярна полуоси;

— «торсен» второго типа. Применяются косозубые шестерни полуосей и винтовые сателлитов. Оси сателлитов параллельны полуосям.

Принцип работы трёх последних видов основан на расклинивании гипоидных или винтовых пар.

Установка дифференциала повышенного трения.

Дифференциалы устанавливаются на всех типах автомобилей. На машинах с одной ведущей осью устанавливается один дифференциал на ведущей оси, между колёсами.

На автомобилях с подключаемой второй ведущей осью устанавливается два дифференциала, по одному на оси, также между колёсами. На автомашинах с постоянным полным приводом устанавливается три дифференциала: один – межосевой, и по одному на осях между колёсами.

Межколёсный дифференциал распределяет нагрузку между колёсами, в зависимости от условий их работы, а межосевой распределяет нагрузку между осями.

Все виды рассматриваемых дифференциалов могут устанавливаться между осями полноприводных автомашин, а также между полуосями (межколёсные) полноприводных и с одномостовым приводом. Вискомуфта, в связи со своей массивностью, устанавливается, в основном, между осей.

Для установки дифференциала необходимо досконально исследовать конструктивные особенности трансмиссии машины и определить, какой вид дифференциала подойдёт для установки (несмотря на универсальность изготовления дифференциалов, существуют отличия, не позволяющие произвести установку без выполнения доработок, замены деталей или агрегата).

Установку дифференциалов повышенного трения необходимо выполнять специалистам высокой квалификации. При необходимости выполнения доработок может возникнуть потребность в токарных, фрезерных, шлифовальных и других станках.

Подписывайтесь на наши ленты в таких социальных сетях как, Facebook, Вконтакте, Instagram, Twitter и Telegram: все самые интересные автомобильные события собранные в одном месте.

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:

1. Кардан вращает хвостовик с косозубой шестеренкой на конце.
2. От хвостовика крутится большая планетарная шестерня, соединенная с двумя полуосями.
3. 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 дифференциала предлагается на примере:

1. 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.
2. Автомобиль входит в поворот. Крутящиеся вместе с большой шестерней сателлиты начинают вращаться вокруг собственной оси, причем в разные стороны.
3. 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:

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.

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.

Для повышения проходимости на некоторых ТС устанавливают самоблокирующиеся дифференциалы, которые обеспечивают передачу большего вращающего момента на колесо, имеющее лучшее сцепление с опорной поверхностью и вращающееся с меньшей угловой скоростью (отстающее колесо), по сравнению с колесом, находящимся на участке с недостаточными высокими сцепными качествами и вращающимся с большей угловой скоростью (забегающее колесо). Таким образом, суммарная сила тяги обоих колес увеличивается. Отношение момента на отстающем колесе Мот к моменту на забегающем колесе Мзаб называется коэффициентом блокировки (Коб = Мот/Мзаб).

Оптимальный коэффициент блокировки определяется отношением максимального и минимального коэффициентов сцепления, которое для наиболее характерных условий движения находится в пределах 3… 5.

Из большого числа разных по принципу действия самоблокирующихся дифференциалов наиболее широко используются дифференциалы повышенного трения — конические и кулачковые, а также механизмы типа муфт свободного хода. Например, на многоосных полноприводных колесных машинах на первом и втором мостах (ведущих, с управляемыми колесами) установлены межколесные конические дифференциалы повышенного трения, а на третьем и четвертом ведущих мостах — механизмы типа муфт свободного хода. Последние могут быть применены в редукторах между первым и вторым мостами, а также между третьим и четвертым.

Рис. Межколесный дифференциал передних центральных редукторов:
1 — ведомая коническая шестерня; 2 — опорная шайба; 3 — сателлит; 4 — крестовина; 5 — вкладыш; 6 — полуосевые шестерни; 7 — пружина; 8 — корпус дифференциала

Далее приведено описание устройств и работы указанных механизмов.

Дифференциал передних центральных редукторов автомобиля относится к дифференциалам повышенного трения. Вращающий момент от ведомой конической шестерни 1 передается через корпус 8 дифференциала на крестовину 4. Работает этот дифференциал так же, как и обычный конический, однако он обеспечивает большее перераспределение вращающего момента на полуосях. Это происходит вследствие значительного увеличения среднего диаметра опорных шайб 2, сателлитов 3 и наличия пружин 7, постоянно поджимающих сателлиты к неподвижным относительно корпуса дифференциала вкладышам 5. Осевое усилие на сателлите, возникающее в результате зацепления его с полуосевыми шестернями 6, суммируется с усилием пружины, и на поверхностях опорной шайбы возникает повышенный момент трения. Если одно колесо попадает на скользкую дорогу или лед, а второе находится на хорошей дороге, то на последнем колесе будет возникать вращающий момент, равный сумме вращающего момента колеса, стоящего на скользкой дороге, и момента трения, возникающего внутри дифференциала. Это обстоятельство способствует повышению проходимости автомобиля.

Каждая пружина сателлитов сжата под усилием 1,7 кН (170 кгс), поэтому в целях безопасности разбирать и собирать дифференциал повышенного трения необходимо в специальном приспособлении.

Дифференциал задних центральных редукторов автомобиля относится к самоблокирующимся дифференциалам, работающим по принципу муфты свободного хода.

Вращающий момент от ведомой конической шестерни 1 передается через корпус 4 дифференциала на ведущую муфту 3.

Ведущая муфта имеет прямоугольные зубья, расположенные по наружному диаметру, и трапециевидные зубья, расположенные по внутреннему диаметру торца муфты. Вращающий момент от ведущей муфты передается на две полумуфты 5, на торце которых также имеется по два ряда зубьев — наружный и внутренний. Наружный ряд зубьев полумуфты силовой; зубья этого ряда зацепляются с аналогичными зубьями ведущей муфты. Внутренний ряд зубьев полумуфты имеет специальный профиль: эти зубья служат для отключения полумуфты от ведущей муфты. На наружном диаметре внутреннего ряда зубьев полумуфты установлено разрезное распорное кольцо 9, обеспечивающее бесшумную работу дифференциала. От каждой полумуфты вращающий момент передается через эвольвентные шлицы на полуосевую шестерню 6 и полуось автомобиля. Внутри ведущей муфты установлено центральное кольцо 10, которое удерживается от осевого перемещения стопорным кольцом 11.

Рис. Межколесный дифференциал задних центральных редукторов:
1 — ведомая коническая шестерня; 2 — шпонка; 3 — ведущая муфта; 4 — корпус дифференциала; 5 — полумуфта; 6 — полуосевая шестерня; 7 — пружина; 8 — стакан пружины; 9 — разрезное распорное кольцо; 10 — центральное кольцо; 11 — стопорное кольцо; 12 — дистанционная втулка

На обоих торцах центрального кольца имеются расположенные друг против друга зубья специального профиля. Во впадины между этими зубьями входят зубья внутреннего ряда полумуфт, а также зубья разрезных колец. Зубья центрального кольца, взаимодействуя с зубьями полумуфты, в определенных условиях способствуют выведению полумуфты 5 из зацепления с ведущей муфтой 3.

Шпонка 2, установленная в ведущей муфте, препятствует проворачиванию разрезного распорного кольца, которое удерживает полумуфту в отключенном положении.

Полумуфты постоянно поджимаются к ведущей муфте с помощью спиральных пружин 7, опирающихся крайними витками на полуосевые шестерни и на полумуфты через стаканы 8. Между полуосевыми шестернями установлена дистанционная втулка 12, предохраняющая от смещения полуосевые шестерни при установке полуосей.

При движении автомобиля по прямой ровной дороге дифференциал не работает: заблокированы все детали дифференциала и полуоси вращаются как единое целое со скоростью ведомой конической шестерни.

При движении по бездорожью раздельное вращение колес (одного моста) исключено, оба колеса принудительно вращаются с одинаковой частотой, что увеличивает общую тягу и улучшает проходимость автомобиля.

При повороте автомобиля забегающее колесо стремится вращаться быстрее ведомой конической шестерни и ведущей муфты. При этом полумуфта забегающего колеса, опираясь своими профильными зубьями на зубья центрального кольца, отходит от ведущей муфты и выключается. Разрезное распорное кольцо, находящееся на полумуфте, вращается вместе с ней до тех пор, пока не упрется краем выреза в шпонку, сидящую в ведущей муфте. В этот момент торцы зубьев разрезного распорного кольца установятся против торцов зубьев центрального кольца и будут удерживать полумуфту от включения. На протяжении всего поворота забегающая полумуфта выключена и не передает на полуось вращающий момент. Усилие будет передаваться только на полумуфту, соединенную с ведущей муфтой.

При повороте на скользких дорогах полумуфта забегающего колеса может не отключаться. Поворот при этом происходит вследствие проскальзывания отстающего колеса.

При выходе автомобиля из поворота угловые скорости забегающей и отстающей полумуфт выравниваются. Разрезное распорное кольцо при этом несколько отходит назад, зубья его сходят с зубьев центрального кольца, и полумуфта под действием сжатой пружины входит в зацепление с ведущей муфтой. При движении автомобиля по инерции с поворотом отключается не забегающая муфта, а отстающая, так как в этом случае ведущим элементом является не корпус дифференциала, а забегающее колесо.

При движении автомобиля назад по прямой дифференциал работает так же, как и при движении вперед, но в этом случае прижаты противоположные боковые стороны ведущих зубьев ведущей муфты и полумуфты.

Работа дифференциала на поворотах при движении автомобиля назад не отличается от работы дифференциала на поворотах при движении вперед.

Для изготовления шестерен главных передач, шестерен и крестовин дифференциалов применяются хромистые и хромоникелевые стали. Корпуса дифференциалов, картеры главных передач, балки ведущих мостов изготавливают из ковкого чугуна и углеродистой стали, полуоси — из хромистой, хромокремнемарганцевой и хромоникелевольфрамовой сталей.

В настоящее время для распределения моментов в требуемом соотношении между выходными валами (в ведущих мостах и раздаточных коробках) находят применение различные механизмы, в частности вязкостные муфты, героторные механизмы, дифференциалы повышенного трения, «Квайф», «Торсен» (трех типов) и др.