Что такое дифференциал и зачем он нужен
Дифференциал — это специальный механизм, название которого происходит от латинского слова «differentia», означающего «разность» или «различие». Его основная задача — позволять связанным между собой элементам (звеньям) вращаться с разными скоростями, при этом сохраняя баланс передаваемых на них сил. Это ключевое устройство для корректной работы ведущих осей.
Роль дифференциала в автомобилях и тракторах
В большинстве транспортных средств, таких как автомобили, тракторы и другие машины, используется симметричный дифференциал. Он устанавливается между колесами, расположенными на одной оси. Без этого механизма управление было бы крайне затруднено, а износ шин — катастрофическим.
Необходимость в дифференциале возникает в двух основных ситуациях: при повороте и при движении по неровной поверхности. При повороте внешнее колесо проходит больший путь, чем внутреннее, и должно вращаться быстрее. Если бы колеса были жестко связаны, это приводило бы к пробуксовке и повышенному износу. Дифференциал решает эту проблему, перераспределяя крутящий момент и позволяя колесам вращаться с разными скоростями.
Основные типы конструкций дифференциалов
Инженеры разработали несколько конструктивных решений для выполнения функции дифференциала. Вот основные из них:
1. Конический планетарный дифференциал. Это наиболее распространенный тип. В его основе лежит планетарная передача с коническими шестернями. Сателлиты (промежуточные шестерни), установленные на водиле, находятся в зацеплении с двумя солнечными шестернями, связанными с полуосями колес.
2. Цилиндрический планетарный дифференциал. В этой конструкции используются цилиндрические зубчатые колеса. Особенностью является сателлит, который состоит из двух сцепленных между собой шестерен.
3. Кулачковый дифференциал. Вместо зубчатых колес здесь работают кулачки (выступы), расположенные в сепараторе (водиле). Они взаимодействуют с пазами на центральных колесах. Такая схема создает большое внутреннее сопротивление проворачиванию из-за значительных углов давления в кинематических парах, что может быть полезно для повышения проходимости.
4. Дифференциал на основе механизма свободного хода. Это более сложная конструкция. Входным звеном здесь служит диск с двусторонними кулачками. С ним взаимодействуют две полумуфты, имеющие два ряда кулачков: наружные (для передачи момента) и внутренние трапецеидальные (для отключения). При прямолинейном движении диск через кулачки передает момент обеим полумуфтам и далее — колесам. При повороте полумуфта, связанная с колесом, которое стремится вращаться быстрее («забегающее»), под действием трапецеидальных кулачков отодвигается и выходит из зацепления с диском. Это устраняет характерный щелчок и предотвращает передачу момента на это колесо.
Принцип работы и проблема буксования
Классический симметричный дифференциал работает по простому правилу: чем быстрее вращается одно колесо, тем медленнее вращается другое на той же оси. Если одно колесо полностью остановится (например, попав на лед), второе начнет вращаться в два раза быстрее, чем водило дифференциала.
В этом кроется главный недостаток обычного дифференциала для внедорожников: если одно колесо теряет сцепление с дорогой и начинает буксовать, весь крутящий момент уходит на него, в то время как второе, стоящее на твердой почве, перестает вращаться. Автомобиль обездвиживается.
Блокировка и самоблокирующиеся дифференциалы
Для борьбы с этим эффектом используется блокировка дифференциала. Принудительно соединив два его подвижных звена (например, полуось с корпусом), мы заставляем оба колеса вращаться с одинаковой скоростью, как если бы они были наглухо связаны. Это радикально повышает проходимость.
Более совершенным решением являются самоблокирующиеся дифференциалы (дифференциалы повышенного трения). В их конструкцию изначально заложены элементы (фрикционные пакеты, вязкостные муфты), которые создают повышенное внутреннее сопротивление. Они автоматически подключают блокировку, когда возникает большая разница в скоростях вращения колес, и отключают ее, когда она не нужна (например, в повороте), сочетая проходимость с управляемостью.