Дифференциал коробки передач

Назначение, конструктивные особенности

Основная задача этого элемента сводится к изменению крутящего момента перед подачей его на привод колес. То же делает и коробка передач, но у неё существует возможность изменения передаточных чисел за счет ввода в зацепление тех или иных шестерен. Несмотря на наличие в конструкции автомобиля КПП, на выходе из нее крутящий момент небольшой, а скорость вращения выходного вала – высокая. Если передать вращение напрямую на ведущие колеса, то возникшая нагрузка «задавит» двигатель. В общем, авто просто не сможет сдвинуться с места.

Главная передача автомобиля обеспечивает повышение крутящего момента и снижение скорости вращения. Но в отличие от КПП передаточное число у нее фиксированное.

Расположение главной передачи на примере обычной МКПП

Представляет собой эта передача на легковом авто обычный шестеренчатый одноступенчатый редуктор постоянного зацепления, состоящий из двух шестерен разного диаметра. Ведущая шестерня небольшая по размерам и связана она с выходным валом КПП, то есть вращение подается на нее. Ведомая же шестерня значительно больше по размерам и получаемое вращение она подает на приводные валы колес.

Передаточное число является соотношением количества зубьев шестерен редуктора. Для легковых авто этот параметр находится в диапазоне 3,5-4,5, а для грузовиков он достигает 5-7.

Чем больше передаточное число (больше количество зубьев ведомой шестерни относительно ведущей), тем выше крутящий момент, подаваемый на колеса. При этом тяговое усилие будет больше, но максимальная скорость ниже.

Передаточное число главное передачи подбирается исходя из эксплуатационных показателей силовой установки, а также других узлов трансмиссии.

Устройство главной передачи напрямую зависит от конструктивных особенностей самого автомобиля. Этот редуктор может быть, как отдельным узлом, установленным в своем картере (заднеприводные модели), так и входить в конструкцию КПП (авто с передним приводом).

Главная передача в заднеприводном автомобиле

Что касается некоторых полноприводных авто, то у них может использоваться разная компоновка. Если в таком автомобиле расположение силовой установки – поперечное, то главная передача передней оси входит в конструкцию КПП, а задней располагается в отдельном картере. У автомобиля с продольной компоновкой главные передачи на обоих осях отделены от КПП и раздаточной коробки.

В моделях с отделенной главной передачей, этот редуктор выполняет еще одну задачу – изменяет угол направления вращения на 90 град. То есть выходной вал КПП и приводные валы колес имеют перпендикулярное расположение.

Расположение главной передачи передней оси Audi

В переднеприводных моделях, где главная передача входит в конструкцию КПП, указанные валы имеют параллельное расположение, поскольку менять угол направления не нужно.

В ряде грузовых авто применяются двухступенчатые редукторы. Примечательно, что их конструкция может быть разной, но наибольшее распространение получила так называемая разнесенная компоновка, в которой используется один центральный редуктор и два колесных (бортовых). Такая конструкция позволяет существенно повысить крутящий момент, а соответственно и тяговое усилие на колесах.

Привод легковых автомобилей

Особенность работы редуктора сводится к тому, что он равномерно разделяет вращение на оба приводных вала. При прямолинейном движении такое условие является нормальным. Но при прохождении поворотов колеса одной оси проходят разное расстояние, поэтому необходимо изменение скорости вращения каждого из них. Это входит в задачу дифференциала, используемого в конструкции трансмиссии (он устанавливается на ведомой шестерне). В результате главная передача подает вращение на приводные валы не напрямую, а через дифференциал.

Разновидности автомобильных дифференциалов

Помимо конического, цилиндрического и червячного, существуют и успешно используются следующие разновидности дифференциалов: дифференциал с полной блокировкой, дифференциал Торсен, дифференциал Квайф, вискомуфта.

Дифференциал с полной блокировкой

Дифференциалы этого типа чаще всего используются на грузовиках и внедорожниках. Их блокировка включается и отключается непосредственно из салона с помощью специальной клавиши водителем. Они используются для повышения проходимости автомобилей.

Межосевой дифференциал с блокировкой типа Torsen

Конструкция рабочего привода данной системы состоит из следующих единиц:

1. корпус;
2. правая полуосевая шестерня;
3. левая полуосевая шестерня;
4. сателлиты правой и левой полуосевых шестерен;
5. выходные валы.

Стоит отметить, что дифференциал Torsen имеет наиболее совершенную конструкцию.

Принцип работы:

Межосевой блокируемый дифференциал Torsen состоит из ведомых и ведущих червячных колес, иначе называемых полуосевыми и саттелитами. В такой системе блокировка случается вследствие особенностей функционирования шестерен данного типа. В нормальном состоянии им задается определенное передаточное число. Если колеса имеют хорошее сцепление с поверхностью и движутся плавно, работа дифференциала происходит точно так же, как и у симметричного. Но как только происходит резкое увеличение момента, саттелит пытается начать движение в обратную сторону. Полуосевая червячная шестерня перегружается, и происходит блокировка выходных валов. При этом лишний крутящий момент двигателя переходит на другую ось. Максимальная степень перераспределения момента для дифференциалов Torsen – 75 на 25.

Наиболее известной разновидностью данной системы является Torsen Audi Quattro. Это один из самых популярных механизмов в конструкциях современных полноприводных автомобилей. Его неоспоримыми преимуществами являются широкий спектр переброса вращающего момента, мгновенная скорость срабатывания и отсутствие негативного влияния на тормозную систему. А вот к недостаткам можно отнести сложность конструкции со всеми сопутствующими последствиями.

Преимущества дифференциалов этой конструкции

Преимуществ у данной конструкции достаточно много. Данный механизм устанавливают за то, что точность его работы чрезвычайно высокая, при этом работает устройство очень плавно и тихо. Мощность распределяется между колесами и мостами автоматически – какое-либо вмешательство водителя не нужно. Перераспределение момента никак не влияет на торможение. Если дифференциал эксплуатируется корректно, то обслуживать его не нужно – от водителя требуется только проверять и периодически менять масло.

Именно поэтому многие водители ставят дифференциал “Торсен” на “Ниву”. Там также применена система постоянного полного привода и никакой электроники, поэтому нередко любители экстрима меняют штатный дифференциал на данный узел.

Недостатки

Есть и минусы. Это высокая цена, ведь внутри конструкция устроена достаточно сложно. Так как дифференциал работает на принципе терния, из-за этого повышается расход топлива. При всех преимуществах КПД довольно низкий, если сравнивать с похожими системами другого типа. Механизм имеет высокую предрасположенность к заклиниванию, а износ внутренних элементов довольно интенсивный. Для смазки нужны специальные продукты, так как при работе узла выделяется много тепла. Если на одной оси установлены разные колеса, то детали изнашиваются еще более интенсивно.

Дифференциалы Квайф

Отличительной особенностью дифференциалов этого типа является то, что сателлиты в них располагаются параллельно оси вращения корпуса (чаши), причем в два ряда. Кроме того, при функционировании этих агрегатов образуются силы трения, которые при необходимости автоматически осуществляют блокировку, повышают проходимость и силу тяги автомобиля. Чаще всего дифференциалы Квайф используются для тюнинга легковых автомобилей и внедорожников.

Вискомуфта

Функционирование этот типа дифференциала основано на том же принципе, что и работа гидротрансформатора. Чаще всего вискомуфты используются в автомобилях с полным приводом и используются для того, чтобы обеспечивать связь передних колес с задними по следующему принципу: если одни из них проскальзывают, то крутящий момент транслируется на другие, за счет чего и решается проблема пробуксовки. Конструктивно вискомуфта представляет собой цилиндр, в которой находится погруженный в вязкую жидкость пакет металлических дисков, имеющих перфорацию, и соединенных с валами (как ведущим, так и ведомым). В зависимости от температуры вязкость жидкости меняется, на чем и основывается принцип работы этого агрегата.

Плюсы и минусы заваренного редуктора на бездорожье

В статье про трицикл из мотоцикла Урал я говорил, что дифференциал в жигулевском мосту заварен. Но позже туда был установлен обычный дифференциал. Разница почувствовалась сразу.

Перевернутый жигулевский мост на трицикле

Итак, перечислим основные достоинства заваренного дифференциала на бездорожье:

1. Проходимость. Что есть, то есть. Из-за отсутствия распределения крутящего момента проходимость заметно повышается. Снижается вероятность пробуксовки колеса из-за недостаточного сцепления с поверхностью, что само по себе уже ухудшает это сцепление. Подробнее про этот эффект (трение покоя и скольжения) в статье по типам полного привода (ссылка в конце этой статьи).
2. Прямолинейность движения. С заблокированным редуктором трицикл стремится ехать прямо в любых условиях, что иногда оказывается полезно. Можно, например, тормозить поворотом руля. Но этот эффект скорее мешает, чем помогает. Подробнее чуть ниже.

На этом достоинства «электродуговой» блокировки моста заканчиваются, а недостатков у нее не меньше.

1. Управляемость. Точнее ее отсутствие. Из-за того, что оба задних колеса постоянно вращаются с одинаковой угловой скоростью трицикл поворачивает неохотно. Особенно это мешает при резких поворотах и разворотах. Сложнее точно держать траекторию движения, а если попал в глубокую колею, то выехать из нее почти невозможно.
2. Тяжелое управление. Вытекает из предыдущего пункта. Особенно проявляется при продолжительных поперечных кренах, когда руки просто «затекают» от постоянного напряжения на руле.
3. Нагрузка на конструкцию. Особенно страдает подвеска, как передняя, так и задняя. Пару раз отрывало тяги заднего поста, крепление задних амортизаторов, треснула рама в районе рулевой колонки. С обычным редуктором ничего подобного не наблюдалось, даже при жесткой эксплуатации.
4. Возможно малый срок службы заваренного дифференциала. На Урале ввиду относительно малой мощности двигателя (около 35 л.с. против 75 л.с. у жигулевского) заваренный мост исправно служил более двух лет без каких-либо проблем. Но при использовании «электродуговой» блокировки на автомобиле, да еще и по асфальту, думаю мост долго не протянет.

Вывод

Заметного ухудшения проходимости после установки на трицикл обычного дифференциала не наблюдалось. Даже на скользкой поверхности «гребут» обычно два колеса. Только если сцепление с поверхностью у колес заметно различается, тогда блокировки действительно не хватает. Зато управляемость заметно улучшилась, что позволило виртуозно маневрировать в сложных ситуациях. А это, как я считаю, гораздо важнее. Конечно, блокировка бы не помешала, но только автоматическая или подключаемая вручную. Но не постоянная.

Еще нужно учесть, что перечисленные плюсы и минусы заваренного моста ярко проявляются при использовании его на трицикле. Т.е. если, скажем поставить заваренный мост на автомобиль, у которого база гораздо больше, то управляемость ухудшится не так сильно. А если он еще и полноприводный, то этот эффект будет еще менее заметен. Но лучше все таки потратиться на самоблоки или принудительные блокировки, если речь идет об автомобиле, который будет использоваться не только для бездорожья, но и для повседневных поездок по городу.

Дифференциал автомобиля

Дифференциал автомобиля чаще всего совмещен с главной передачей и располагается соответственно в картере коробки передач или в корпусе заднего моста. Однако дифференциал может быть установлен и между ведущими осями полноприводного автомобиля. Дифференциал представляет собой планетарный редуктор и делится на следующие разновидности:

• конический – в большинстве случаев устанавливается совместно с главной передачей между колесами одной приводной оси;
• цилиндрический – наиболее часто применяется для развязки ведущих осей полноприводных автомобилей;
• червячный – является универсальным и устанавливается как между колесами, так и между ведущими осями.

Основное предназначение дифференциала заключается в распределении крутящего момента между колесами автомобиля и изменения их частоты вращении относительно друг друга. Так, например поворот автомобиля без дифференциала был бы попросту невозможен , так как при повороте внешнее колесо обязательно должно вращаться с большей частотой, нежели внутреннее.

Дифференциалы существуют симметричные и несимметричные. Симметричный дифференциал передает равный крутящий момент на оба колеса и устанавливается чаще всего совместно с главной передачей. Несимметричный дифференциал позволяет передать крутящий момент в различных пропорциях и устанавливается между приводными осями автомобиля.

Устройство дифференциала

Дифференциал состоит из корпуса, шестерен сателлитов и полуосевых шестерен. Корпус обычно совмещен с ведомой шестерней главной передачи. Шестерни сателлиты играют роль планетарного редуктора и соединяют полуосевые шестерни с корпусом дифференциала. Полуосевые (солнечные) шестерни соединены с ведущими колесами посредством полуосей на шлицевых соединениях.

При всех плюсах у простейшего дифференциала существует и недостаток . Дело в том, что частота вращения может быть распределена на колеса не только в соотношении, например 50/50, 40/60 или 35/65, но и 0/100. То есть, на одно колесо автомобиля может быть передан абсолютно весь крутящий момент, в то время как второе колесо будет абсолютно статично. Такое случается в том случае если автомобиль застрял в грязи или на льду.

Однако современные дифференциалы более совершенны и практически лишены данного недостатка. Многие дифференциалы имеют жесткую автоматическую или ручную блокировку. Кроме того современные легковые полноприводные автомобили снабжаются системой курсовой устойчивости, которая основана на оптимальном распределении крутящего момента между осями и отдельными колесами в зависимости от траектории движения.

РЕКОМЕНДУЕМ ТАКЖЕ ПРОЧИТАТЬ:

Классификация

В целом, конструктивных исполнений раздаток – множество, поэтому и используется классификация их. Она разделяет все существующие виды раздаточных коробок по таким критериям как:

• Способ распределения мощности;
• Число передач;
• Тип механизма управления;
• Расположение валов.

Распределение мощности

Способ распределения мощности – один из основных критериев, по которым разделяются раздатки. Он характеризует, как именно осуществляется передача вращения между осями.

По этой классификации коробки делятся на обеспечивающие:

• Постоянный привод на обе оси без возможности отключения какого-либо мостов;
• Возможность отключения переднего или заднего моста (он в этой компоновке трансмиссии является вспомогательным);
• «Равноправное» отключение. Такая раздатка позволяет отключать любой из мостов (позволяет на авто сделать любой тип привода – передний, задний, полный).

Трансмиссия с постоянным приводом используется как на легковых авто, так и некоторых внедорожниках. В раздатке таких трансмиссий отсутствует механизм управления, и ведущими являются постоянно все колеса.

Отметим, что в современных конструкциях раздаток полноприводных трансмиссий дифференциал не используется, вместо него устанавливаются разного рода муфты (электромеханические, фрикционные, магнитные). Их особенность заключается в том, что они могут обеспечивать меняющееся соотношение распределения вращения. Управление этими муфтами осуществляется электроникой, что позволяет системе привода быстро реагировать на дорожные условия и направлять больший момент на требуемую ось.

Раздаточные коробки с отключаемым одним из мостов – самая распространенная компоновка для кроссоверов. Ее особенность заключается в том, что водитель самостоятельно решает, когда нужен полный привод. В такой конструкции также нередко используются муфты в качестве межосевого дифференциала. Управление коробкой может быть, как полностью механическим, так и электроприводным.

Схема видов полного привода

«Равноправное» отключение мостов встречается нечасто. Обусловлено это более сложной конструкцией самой коробки.

Количество ступеней

По количеству передач существующие типы коробок передач делятся на одно-, двух- и трехступенчатые. На легковых автомобилях и кроссоверах обычно используется одноступенчатая передача. Это означает, что передаточное число раздаточной коробки равно 1, то есть она его не изменяет и на колеса передается тот момент, который задан КПП.

На внедорожниках же часто встречается двухступенчатая раздатка. В ней имеется две передачи, у которых передаточное число равно 1 и 2. Нередко такую коробку еще называют «раздаткой с делителем». Наличие двух передач позволяет при надобности на этом узле изменить передаточное число, повысив тяговое усилие на колесах. Но при этом автомобиль движется вдвое медленнее. В обычной коробке это делается всего лишь наличием дополнительной пары шестерен.

Трехступенчатые раздаточные коробки на автотранспорте обычно не встречаются, их используют на спец. технике.

Механизм управления

Что касается типа механизма управления, то он бывает ручным, полуавтоматическим и полностью автоматическим. Первый вариант – самый надежный, поскольку в конструкции отсутствует какая-либо электроника. В такой раздаточной коробке водитель самостоятельно, при помощи системы рычагов вводит в зацепление шестерни, включая дополнительный мост.

В полуавтоматическом механизме задействование дополнительного моста осуществляется механизмом управления с электронным приводом. То есть, включение и выключение дополнительного моста проходит без участия водителя. Но такая система управления позволяет и самому водителю включать полный привод.

Ручной и полуавтоматический механизм управления раздаткой

Автоматическое же управление подразумевает, что работу раздаточной коробки полностью контролирует электроника. Она на основе показаний датчиков определяет момент, когда нужен полный привод и задействует его.

Положение валов

Последний критерий, по которым делятся раздаточные коробки – положение валов. Оно бывает соосным и несоосным. Первый вариант указывает на то, что ведомый и вал привода переднего моста расположены на одной оси. Ведущий же вал располагается параллельно им.

В несоосной конструкции на одной оси располагаются ведущий и ведомый валы, а вал переднего моста установлен параллельно.

Главная передача

Главная передача служит для увеличения общего передаточного числа и передачи вращающего момента через дифференциал (или механизм поворота) и конечные передачи к ведущим колесам трактора (автомобиля).

По числу пар зубчатых колес различают одинарные и двойные главные передачи, а по конструкции — конические со спиральными зубьями, гипоидные и цилиндрические.

Главная передача трактора представляет собой одинарную передачу, состоящую из пары конических или цилиндрических шестерен. Главные передачи автомобиля могут быть одинарными и двойными. Одинарные представляют собой конические шестерни с гипоидным зацеплением, позволяющим снизить шум при работе шестерен, габаритные размеры и массу ведущего моста уменьшить. Их применяют на легковых автомобилях малой и средней грузоподъемности.

Двойные главные передачи состоят из пары конических и пары цилиндрических шестерен. Конические шестерни выполняют со спиральным зубом, а цилиндрические — с прямым, косым или шевронным.

Назначение

Применение дифференциалов в трансмиссиях автомобилей обусловлено необходимостью обеспечить вращение ведущих колёс одной оси с разной частотой. В первую очередь это необходимо в поворотах, но также и при разном диаметре ведущих колёс, что возможно при вынужденной установке шин двух разных типоразмеров или при разности давления в шинах. В случае, если оба колеса имеют жёсткую кинематическую связь, любое рассогласование частот вращения по вышеупомянутым причинам приводит к возникновению так называемой паразитной циркуляции мощности. Это безусловно вредное явление вызывает проскальзывание колеса с меньшей силой сцепления относительно поверхности дороги, дестабилизирует движение автомобиля по дуге, нагружает трансмиссию и двигатель, повышает расход топлива и проявляется тем сильнее, чем меньше радиус поворота и выше силы сцепления, действующие на колёса. Дифференциал, установленный в разрез валов привода колёс одной оси, позволяет разорвать жёсткую кинематическую связь между колёсами и устранить паразитную циркуляцию мощности, не потеряв при этом возможностей по передаче мощности на каждое колесо с КПД близким к 100%. Подобный дифференциал называется «межколёсным», а данная область применения является основной для дифференциалов вообще, так как межколёсный дифференциал присутствует в приводе ведущих колёс всех легковых, грузовых и абсолютно подавляющей части внедорожных

,спортивных игоночных автомобилей.

Помимо привода ведущих колёс автомобиля дифференциалы также применяются:

• В приводе двух и более постоянно ведущих осей от одного двигателя (так называемый «межосевой» дифференциал).
• В приводе соосных воздушных и водных винтов противоположного вращения (в качестве дифференциала и редуктора одновременно).
• В дифференциальных механизмах поворота гусеничных машин (в связке из одного-двух-трёх дифференциалов с разными принципами совместной работы).
• При сложении передаваемой вращением мощности от двух двигателей с произвольными частотами вращения на один общий вал.

При повороте автомобиля, все его колеса проходят разный по длине путь, и если между двумя ведущими колесами существует жесткая связь, они начнут проскальзывать. Скольжение колес при повороте приводит к повышенному расходу топлива, износу шин, нарушению устойчивости и т. п.

Дифференциал позволяет ведомым валам вращаться с разными угловыми скоростями и выполняет функции распределения подводимого к нему крутящего момента между колесами или ведущими мостами. Дифференциалы бывают межколесными и межосевыми (в случае установки между несколькими ведущими мостами).

Впервые дифференциал был применен в 1897г. на паровом автомобиле. В настоящее время все автомобили имеют межколесные дифференциалы на ведущих мостах. Наиболее распространенным является конический симметричный дифференциал, включающий в себя: корпус, сателлиты, ось сателлитов (или крестовину) и полуосевые шестерни. Обычно число сателлитов в дифференциалах легковых автомобилей — два, грузовых и внедорожных — четыре.

Симметричный дифференциал получил свое название за способность распределять подводимый момент поровну при любом соотношении угловых скоростей, соединенных с ним валов. Применение такого дифференциала в качестве межколесного, обеспечивает устойчивость при прямолинейном движении, а также при торможении двигателем на скользкой дороге.

Существенным недостатком обычного дифференциала является снижение проходимости автомобиля, если одно из его колес попадает в условия малого сцепления с опорной поверхностью. При этом на колесо, находящееся в нормальных сцепных условиях, нельзя подвести крутящий момент, превышающий тот, который может быть реализован на колесе, находящемся в условиях малого сцепления (это приводит к пробуксовке колеса). Для преодоления этого недостатка в некоторых конструкциях используются Дифференциалы полноприводных автомобилей различных конструкций.

1) с электронной блокировкой;

2) с дисковым дифференциалом;

3) с вязкостной муфтой.

Управление системой осуществляется как механически водителем, так и с помощью специальных блоков управления, которые учитывают угловые скорости колес и разность крутящего момента на переднем и заднем приводе. Полностью автоматические системы позволяют экономить топливо, обеспечивают улучшение проходимости автомобиля, облегчая его управление на высокой скорости и лучше реализуют мощность мотора.

Сегодня подобные системы самоблокирующихся дифференциалов зарекомендовали себя с наилучшей стороны, они отличаются прочностью, надежностью и долговечностью, не требуя в процессе эксплуатации какого-либо сложного обслуживания и ремонта.