Как устроен дифференциал? Почему одно колесо буксует, а другое стоит на месте? Можно ли передать весь крутящий момент на одно колесо?
1_no_copyright
ЭКСКУРС В ИСТОРИЮ
Первые конструкции, принципом работы напоминающие дифференциал, появились в Китае еще до нашей эры. В 1720 году Джозеф Вильямсон использовал дифференциальный механизм в часах, чуть больше века спустя Ричард Робертс запатентовал дифференциал для дорожной техники. 1897 год: дифференциал впервые установлен на паровой автомобиль Ширера. Начало 80-х годов прошлого века: самоблокирующиеся дифференциалы приходят в автоспорт, а потом постепенно переселяются и на дорожные версии. На сегодняшних автомобилях распределение крутящего момента по колесам все чаще контролирует электроника.
ЧТО ТАКОЕ ДИФФЕРЕНЦИАЛ?
Устройство свободного дифференциала:
Устройство свободного дифференциала
1 — шестерни полуосей;
2 — ведомая шестерня главной передачи;
3 — ведущая шестерня главной передачи;
Как устроен дифференциал?
4 — сателлиты;
5 — корпус.
В автомобиле это устройство делит крутящий момент между правым и левым колесами (такой дифференциал называют межколесным) либо между передней и задней осями (межосевой дифференциал). Устройство полезное, например, в поворотах, когда внутреннее колесо вращается медленнее наружного. И одновременно вредное, когда автомобиль беспомощно буксует в грязи или на льду.
КАК РАБОТАЕТ ДИФФЕРЕНЦИАЛ
Крутящий момент через ведомую шестерню главной передачи передается на корпус и сателлиты, которые находятся в зацеплении с шестернями полуосей. Когда колеса крутятся с одинаковой скоростью, сателлиты неподвижны относительно своей оси (рис. а):
4_no_copyright
Но едва угловые скорости начинают различаться — одна из покрышек пробуксовывает или автомобиль проходит поворот, — сателлиты приходят в движение, компенсируя разницу в оборотах правого и левого колес (рис. б):
5_no_copyright
СПОРНЫЕ МОМЕНТЫ
Чтобы реализовать крутящий момент на колесе, должна быть противодействующая сила. Один из самых наглядных примеров — колодец. Противодействующую силу в этом случае создает ведро с водой, тянущее своим весом веревку вниз. Чтобы поднять ведро, нужно приложить достаточное усилие к ручке. Как раз это усилие, помноженное на плечо (в этом случае — длина ручки колодца), и называют крутящим моментом.
6_no_copyright
А что произойдет, если веревка оборвется? Ведро упадет, а вместе с ним уйдет и противодействующая сила. А коли нет противодействия, нет и крутящего момента. Барабан будет крутиться вхолостую, не совершая никакой полезной работы. Точно так же происходит, когда одно из колес попадает на скользкое покрытие.
Противодействующая сила практически отсутствует, ведь колесу не за что зацепиться, следовательно, падает до нуля и крутящий момент. Так как свободный дифференциал делит тягу пополам, то же происходит и на соседнем колесе.
7_no_copyright
Поднять крутящий момент просто: нужно создать противодействующую силу, например придержать, создав блокировку, противоположное буксующее колесо.
Что такое дифференциал? Устройство и принцип работы! ОЧЕНЬ ПОНЯТНО!
ПРОВЕРЬТЕ СЕБЯ
Перед вами схема классического постоянного полного привода с тремя свободными симметричными дифференциалами (например, трансмиссия «Шевроле-Нива»):
8_no_copyright
В обычных условиях момент равномерно расходится на все четыре колеса — по 25% на каждое. Одно из колес попало на идеально гладкий лед. Коэффициент сцепления падает до нуля, крутящий момент тоже. А каково будет его значение на трех других колесах? Изменится ли что-то, если заблокировать межосевой дифференциал?
Свободный симметричный дифференциал делит крутящий момент между колесами поровну. Соответственно, если он не реализован на одном колесе, то нет его и на другом. Между осями установлен такой же симметричный дифференциал. Значит, если на задней оси крутящий момент равен нулю, то такое же значение и на передней. Таким образом, тяга на всех ведущих отсутствует — одно колесо беспомощно крутится, а остальные стоят неподвижно.
Заблокируем дифференциал — получилась жесткая связь между осями. Теперь на передних колесах крутящий момент по-прежнему ноль, а вся тяга идет назад — соответственно по 50% на каждое колесо.
КАКИЕ ЕЩЕ БЫВАЮТ ДИФФЕРЕНЦИАЛЫ?
9_no_copyright
Свободный симметричный дифференциал на современных автомобилях чаще всего используют как межколесный. Между осями крутящий момент обычно перераспределяют несимметричные дифференциалы (делят тягу не поровну) — повышенного трения и управляемые электроникой. Они сложнее и дороже, чем классический вариант, но в большинстве случаев при правильной настройке помогают эффективнее распределять крутящий момент. Дифференциалы устанавливают даже на радиоуправляемые модели. Устройство и принцип их работы — как у настоящих (на фото).
Подробнее о дифференциалах смотри в нашей Энциклопедии: ссылка
Источник: www.zr.ru
Как работают разные типы дифференциалов
Что необходимо знать о дифференциалах и об их различиях в работе.
Прежде чем приступить к рассмотрению дифференциалов, их типов и нюансах работы, сначала мы с вами обратимся к теории. Для чего вообще нужен дифференциал на современных автомобилях и какой принцип его работы?
Дифференциал, как говорит теория, это механическое устройство с особым видом планетарной зубчатой передачи, разделяющий момент входного вала (в нашем случае карданного вала) между выходными валами (полуосями) автомобиля, передающий, момент силы с карданного вала на задние полуоси в заднеприводном варианте или непосредственно от двигателя сразу на полуоси в переднеприводном автомобиле так (дифференциал в FWD расположен в КПП), что угловые скорости вращения этих полуосей могут быть разными по отношению друг к другу и колеса автомобиля проходят разный путь (например в повороте). Опять же, все из теории, во время прохождения поворота колеса автомобиля проходят по различным траекториям, а именно, по внутренней и внешней, отсюда соответственно получается, что колесо вращающееся по внешнему радиусу проделывает (пробегает) больший путь чем то колесо, которое вращается по внутреннему радиусу, а значит, что и скорость такого вращения колес будет разная, т.е. скорость колеса вращающегося (пробегающего) по внутреннему радиусу должна быть меньше той скорости колеса, которое вращается по внешнему радиусу.
В этом как-раз непосредственно и заключается главная задача дифференциала, т.е. правильно распределять скорости вращения валов на выходе и соответственно самих колес.
Предназначение дифференциала автомобилей:
— позволяет ведущим колёсам вращаться с разными угловыми скоростями;
— неразрывно передаёт крутящий момент от двигателя на ведущие колёса.
Основная проблема, появившаяся на заре автомобильной эры, была решена с помощью применения дифференциала, теперь повороты машине можно проходить более безопасно и без пробуксовки колес, а отсюда соответственно и без чрезмерной нагрузки на трансмиссию, на шины и на сами подшипники колес. Но зато появилось другое неудобство.
Простейший дифференциал имеет одну яркую «особенность», благодаря которой он категорически не подходит для сложных, экстремальных дорожных ситуаций.
Когда у ведущих колес 100% сцепление с дорогой, то все будет идти хорошо и дифференциал будет исполнять свою функцию просто идеально, но стоит одному из колес попасть в ситуацию когда оно (шина) потеряет сцепление с дорогой, или попадет на другой тип грунта или на лед, то начнет вращаться именно то колесо, которое потеряло сцепление, а противоположенное стоящее на более цепком грунте просто останется неподвижным.
Не вдаваясь в сами нюансы работы механизма можно просто констатировать факт, что дифференциал не меняет свой крутящий момент, он просто перераспределяет мощность между колесами и такая мощность будет всегда больше на том именно колесе, которое вращается быстрее. При пробуксовке колеса сопротивление его и крутящего момента будет минимальным, а значит чрезвычайно малым будет и крутящий момент передающийся с самого двигателя непосредственно на колесо, а значит и на противоположенном колесе этот крутящий момент будет ему соответствовать, то есть он будет минимальным.
Особенно видны и очень заметны недостатки этого классического дифференциала на спортивных автомобилях с большой мощностью, а также и на полноприводных машинах, которые рассчитаны на езду по бездорожью.
В этой связи инженеры и автопроизводители большинства автокомпаний начали искать новое решение с этой проблемой. Появилось большое количество (различных видов устройств) дифференциалов. Основные виды таковых нам и хотелось бы освятить в данной статье. А также нам хотелось бы рассказать своим читателям и об основных преимуществах и конкретных недостатках тех или иных видов этих устройств, и еще, на каких современных автомобилях можно сегодня встретить тот или иной тип дифференциалов.
Свободный дифференциал (Open Differential).
Суть его работы.
Разделяет крутящий момент двигателя на две оси, каждая из которых способна вращаться с различной скоростью.
Недостатки.
При потери сцепления колеса с дорогой крутящий момент на противоположном колесе тоже снижается (падает). В худшем варианте, у застрявшего автомобиля одно колесо будет свободно вращается, в то время, как противоположенное с лучшим сцеплением не сможет просто передать поверхности (дороге) достаточно крутящего момента, чтобы сдвинуть автомобиль с места.
Современные системы управления тягой компенсируют это, путем применения тормозов к потерявшему сцепление колесу. Но данный подход к проблеме помогает лишь отчасти, более сложный дифференциал, как правило действует быстрее и он более эффективен, чем тот же стандартный тип такого механизма.
На каких автомобилях его можно обнаружить.
Устанавливается на большинство автомобилей у которых «отсутствуют претензии» на нехватку большой мощности (они достаточно мощные), или у которых «отсутствуют амбиции» к любому бездорожью (внедорожники), а также на семейные седаны, на кроссоверы, на мини-вэны, на малолитражные машины, и т.д.
Блокируемый дифференциал (Locking Differential).
Как он работает.
При заблокированном дифференциале колеса машины будут постоянно вращаться с равными скоростями. В песке, в грязи и на снегу заблокированный дифференциал гарантирует, что крутящий момент продолжит поступать на колеса с более высокой тягой.
Недостатки.
В незаблокированном виде данный механизм ведет себя точно также, как и свободный дифференциал. Блокировка дифференциала на поверхности с высоким уровнем сцепных свойств, как например, на том же сухом асфальте, затрудняет поворачиваемость автомобиля и может нанести серьезный вред автомобильной трансмиссии.
На каких автомобилях его можно обнаружить.
Jeep Wrangler, Mercedes-Benz G-класса, Ram 2500 Power Wagon; опционально его можно поставить на большинство полноразмерных джипов и пикапов.
Самоблокирующийся дифференциал (Limited-slip Differential). Дифференциал повышенного трения.
Как он работает.
Самоблокирующийся дифференциал совмещает в себе две концепции,- свободную и блокируемую системы дифференциалов. Он способен функционировать большую часть времени как обычный дифференциал, а в нужный момент автоматически блокироваться, т.е. в тот момент, когда происходит проскальзывание одного из колес. Блокировка достигается за счет вязкостной муфты, или фрикционной муфты, или за счет сложной системы гидророторного типа. В военных автомобилях ставятся зубчатые или кулачковые самоблокирующиеся дифференциалы.
Недостатки.
Чисто механические дифференциалы повышенного трения являются реактивными. То есть, они не блокируются пока не произошла пробуксовка колеса.
На каких автомобилях его можно обнаружить.
Самоблокирующийся дифференциал с электронным управлением (Electronically Controlled Limited-slip Differential).
Как он работает.
Преимущества такого электронного управления в том, что повышается тяга в повороте и степень блокировки дифференциала можно настроить.
Например, если компьютер автомобиля определяет, что в повороте у него (автомобиля) избыточная поворачиваемость, то он может сильнее заблокировать дифференциал для того чтобы стабилизировать автомобиль.
Недостатки.
Как и в обычном дифференциале ограниченного скольжения его крутящий момент смещен в сторону и колеса более медленно вращающегося.
На каких автомобилях его можно обнаружить.
Активный дифференциал (Torque-vectoring Differential).
Как он работает.
Использует дополнительные редуктора, которые подключаются по команде электроники. Электроника собирает информацию со всех датчиков, а именно, о скорости автомобиля, о скорости вращения колес, о включенной передаче, об угле поворота рулевого колеса и о множестве других параметров.
Способен дозированно отправлять крутящий момент к каждому из ведущих колес.
С активным дифференциалом автомобиль может проходить повороты на больших скоростях.
Недостатки.
Системы активного дифференциала тяжелые, достаточно сложные и очень дорогие, они увеличивают расход топлива автомобиля.
На каких автомобилях его можно обнаружить.
Источник: 1gai.ru
Типы и назначение дифференциалов в автомобиле
Итак, начну с самого начала и попытаюсь рассказать и показать самые различные типы дифференциалов и зачем они нам нужны.
Моделируем ситуацию: автомобиль едет по-прямой дороге, ему не нужно .чтобы колеса вращались с разной скоростью- у него оба колеса вращаются с одинаковой скоростью. А теперь мы начинаем ехать по- затяжному повороту. теперь нам нужно, чтобы наружное колесо, вращалось быстрее (вспоминаем школу и бег на 400 метров: тот, кто бежит по-внутренней дорожке, стартует дальше всех- т.к. ему нужно пробежать одинаковое расстояние, что и на наружной дорожке)
Итак- инженеры придумали простой и эффективный «свободный дифференциал». он стоит везде. и всюду… На всех дорожных автомобилях.
свободный дифференциал
Так почему же нам не хватает только одного типа дифференциалов? Если он так хорош. то зачем придумывать что-то еще ?
Теперь моделируем другую ситуацию: у нас плохая дорога или отсутствует совсем )) — теперь нам нужно, чтобы оба колеса гребли «на все деньги» . И тут есть загвоздка: в свободном дифференциале — то колесо, которому легче крутиться (вспоминаем беговую дорожку) будет крутиться, а то, которое стоит на асфальте/заблокировано- не будет крутиться… И тут парадокс: въехали на грязь, одно колесо в воздухе, второе- на покрытии, а крутиться- то которое ВВОЗДУХЕ! Все- приехали. вперед в село за трактором.
вспоминая дриффтеров- они заваривают дифференциал наглухо и получают 100% управляемость и предсказуемость поведения авто, а со свободным дифференциалом, их может развернуть на 180 градусов, без согласия дриффтмена. им (дриффтерам) все-равно на состояние покрышек, и то как их будут съедать безбожные повороты «боком».
Теперь рассмотрим промежуточные варианты — гибриды «свободного дифференциала» и «заблокированного»
— первый тип «винтовая блокировка» или «торсен»
весь принцип действия основан на паре «червяк- шестерня». принцип следующий: червяк крутить шестерню- не может, а шестерня червяка крутит, еще и как. Пример: лифт. пропадает свет, а лифт не падает. А почему ? А все просто- мотор (электрический) вращает шестерню, которая крутит червяк. пропадает питание- и лифт останавливается и не падает. т.к. под своим весом он бы упал, но ему не позволяет пара «червяк-шестерня».
дифференциал типа
все бы ничего, но такой тип дифференциала подойдет только для джипа или для драг рейсинга. для гражданского использования — «не совсем ТО». а вся причина в том, что у него есть изначальный «преднатяг»- это означает его «чувствительность» на включение. и когда эта чувствительность падает, то Вы можете уехать в кювет и только там «торсен» включится. А он Вам был нужен секунду назад. Да и сам принцип включения- очень жесткий.Вас бросает на заснеженной дороге, Вы выворачиваете руль в сторону противоположную заносу и тут он блокирует обе оси и Вы едете в противоположный кювет. Короче- вещь очень своеобразная, для езды по-прямой, заснеженной дороге- хороша. для резкого старта со светофора- отличная. Но вот, пожалуй . и все.
— второй тип (тоже включается автоматически) это дифференциалы повышенного трения. Так званые LSD дифференциалы. Это означает, что они не «тупо» блокируют оба колеса, и уже не важно куда Вы повернули колеса, если автомобиль будет ехать ПРЯМО! А он будет блокировать определенный процент от проскальзывания. А значит более предсказуемый.
Существует три типа этих дифференциалов: 1 way ; 1.5 way ; 2 way.
теперь по- порядку. так выглядит общее устройство этого типа дифференциала
ЛСД дифференциал
Теперь первый тип- 1 вей. означает, что он блокирует часть (или полностью) момента только при разгоне. то есть при «светофорных» гонках можно показать » кто в доме, кто». Но на заснеженной дороге- совершенно бесполезен. «торможение двигателем» может сыграть злую шутку.
ЛСД дифференциалы
второй тип- 2 вей. Он блокирует как прямолинейное ускорение, так и «тормоз» двигателем. Но делает это намного мягче и предсказуемо, нежели «торсен» — который бескомпромисно блокируется.
И третий тип- 1.5 вей .это промежуточный вариант, где и «тормоз двигателем» и «светофорные гонки» будут Вашим коньком.
Серьезный минус во всех выше перечисленных типах дифференциалов (по крайней мере для меня) это их АВТОМАТИЧНОЕ включение/отключение.
теперь типы дифференциалов, которые являются «отшельниками» в мире дорожных автомобилей, но для 4х4 монстров- самое оно.
это- пневматическое/гидравлическое включение 100% блокировки дифференциалов (всех трех: передний. задний и меж осевой).
Далее- «кулачковая муфта»- дикая вещь . Применяется в военных авто, по-принципу действия похож на систему АБС. там где нужно (на снегу/ в песке) оно не срабатывает и простая механика (на старых- добрых ВАЗах) срабатывает намного эффективнее.
П.С. подведя итоги: для обычного гражданского авто- нужен дифференциал с частичной/полной блокировкой. Особенно в зимний период. какой тип выбрать? Я советую LSD дифференциал за его предсказуемость. Но как вариант можно рассмотреть и 100% блокируемый НЕ автоматический. Заехали в «кашу»- включили блокировку. Все- мужик, показал паркетникам, как нужно ехать ))
Источник: www.drive2.com
Разберешься что такое дифференциал в автомобиле — перестанешь буксовать
Здравствуйте друзья читатели! Поговорим о механизме, который есть и будет на каждом автомобиле – дифференциал. Что такое дифференциал в автомобиле и зачем нужен? Дифференциал нужен для оптимального распределения крутящего момента при поворотах и маневрировании, когда колеса начинают крутиться с разными угловыми скоростями.
Дифференциал, как я думаю о нем, должен писаться с большой буквы. Он являет собой самый первый сложный шестеренчатый механизм, изобретенный на заре автомобилестроения. Поняв его и испытав восторг от человеческого гения, который смог так просто решить важную проблему, ты убедишься что сути-то он прост как пять копеек, а какую задачу решил!
О нем особо никто теперь не думает, он есть — да и есть, и должен быть всегда. Привыкли. А ведь без него нет ни одного автомобиля. Это важнейший элемент трансмиссии!
Где расположен дифференциал:
- на заднеприводном автомобиле в картере моста, и совмещен с шестерней главной передачи;
- на переднеприводном, тоже совмещен с главной передачей и как правило в одном картере с коробкой передач;
- на кроссоверах, для оптимального распределение крутящего момента на все колеса, добавляется третий дифференциал и устанавливается между осями в раздаточной коробке.
Те дифференциалы, которые работают на ведущих колесах называют межколесными, а дифференциалы, распределяющие моменты между осями автомобиля – межосевыми.
Принцип работы дифференциала построен на идее планетарного редуктора. В зависимости от использования вида шестерен, дифференциалы бывают следующих видов: цилиндрические, конические, червячные.
Дифференциал конический, как правило применяют в межколесных дифференциалах. Цилиндрический распространен, ввиду его конструктивной простоте, в межосевых дифференциалах. Червячный признан как универсальный и самый тихий в работе, хотя самый сложный в изготовлении, применяется и в межколесных и в межосевых.
Устройство дифференциала автомобиля
Рассмотрим устройство дифференциала автомобиля. Все дифференциалы имеют один и тот же принцип – принцип планетарного редуктора. То есть имеют полуосевые шестерни и бегущие по ним, шестерни – сателлиты.
Корпус (чашка дифференциала) принимает крутящий момент от шестерни главной передачи, чарез оси сателлитов и сами шестерни-сателлиты и передает на полуосевые шестерни.
Сателлитов может быть два или четыре в коническом дифференциале, это зависит от мощности автомобиля.
В конических и червячных дифференциалах из ровно в два раза больше, это связано с конструктивной особенности такого типа дифференциалов. Пары сателитов распределяется каждый на свою полуосевую шестерню.
Полуосевые шестерни, в планетарке их еще называют светлым название «солнечные шестерни», передают уже крутящий момент на колеса. Левые и правые полуосевые шестерни могут иметь разное количество зубьев, такие дифференциалы называют несимметричные. Нессиметричные дифференциалы, соответственно, имеют и пары сателлитов с разным количеством зубов (рассмотрите внимательно конический дифференциал на чертеже выше).
Несмотря на ассиметричность, дифференциалы работают так же как и симметричные, и та или иная идея конструкторов по компоновке этих механизмов обусловлена лишь соображениями компактности и конструктивной необходимости.
Работа дифференциала
Работа межколесного дифференциала характеризуюется тремя режимами:
- движение по прямой;
- работа в поворотах;
- в условиях скользкой дороги.
При движении прямо, силы распределяются поровну на каждое колесо, крутящий момент через корпус передается на сателлиты. Сателлиты не вращаются на своих осях, соответственно полуоси вращаются с равными угловыми скоростями.
В повороте же начинает работать дифференциал, то есть выполнять работу, для которой он и был создан. Внутренне колесо начинает бежать по меньшему радиусу, а внешнее по большому, угловые скорости на полуосевых шестернях начинают меняться. Сателлиты начинают вращаться вокруг своих осей, которые увеличивают скорость внешней шестерни полуоси, бегущего по внешнему радиусу колеса и уменьшать угловую скорость внутренней шестерни, полуось и колесо, бегущего по внутреннему радиусу.
Суммы частот вращения полуосевых шестерен всегда соответствуют частоте вращения ведомой шестерни главной передачи. Поэтому при повороте тяга на колеса всегда одинаковая и никогда не происходит пробуксовки внутреннего колеса, при условии равного сцепления колес с дорогой.
Если же автомобиль попадает в условия скользкой дороги, то колесо у которого меньшее сцепление начинает пробуксовавать, вращаться быстрее, а то колесо у которого сцепление с дорогой больше, просто перестает вращаться и по сути дела автомобиль просто будет стоять на месте с одним вращающемся колесом. Это тот минус дифференциала, который обусловлен его конструкцией.
Бороться с таким явление можно, и конструкторы придумали блокировку дифференциала. Но об этом в другой статье.
Спасибо за внимание! Переходите в другую статью, там наверняка вы найдете много для себя полезного. И поделитесь с друзьями в соц.сетях.
Источник: auto-ru.ru