Что такое дифференциал?

Трудно представить себе автомобиль без дифференциала: скажем, движение по кривой. Все 4 колеса катятся по разным радиусам поворота и проходят неодинаковый путь. Если не позволить ведущим колесам крутиться вразнобой, тому или иному из них придется пробуксовывать (а то и обоим); машина станет трудно управляемой. Вспомните, как ведет себя полноприводник при блокировке межосевого дифференциала…

Жесткая связь колес – без дифференциала
Жесткая связь колес – без дифференциала

Делитель

Выходит, без него никак; и что же такое дифер? Делитель, один из простейших механизмов – где-то после рычага и ворота: он делит крутящий момент (но не мощность!) по 2-м выходным валам в заданной пропорции – и позволяет им крутиться с неодинаковыми оборотами. Когда дифференциал делит входной момент пополам, его так и называют – симметричный. Но их делают и несимметричными: 60/40%, 70/30% – как скажете. Все зависит от количества зубьев у ведомых шестерен – одинаковое или разное. Но когда дифер собран, его свойства уже не меняются –  50 на 50 (или как он там исполнен).

колеса идут разными радиусами
В вираже все 4 колеса идут разными радиусами

Принцип работы дифференциала виден на схеме: тянем 2-плечий рычаг-коромысло за середину – с усилием F. Какие силы возникают на его концах? Правильно: одинаковые (поскольку коромысло равноплечее)

Схема линейного дифференциала
Схема линейного дифференциала (выше) – и его свертка в шестеренный механизм (ниже)

 

F = f1 + f2, f1 = f2;

По III закону Ньютона: действие равно противодействию. Причем если коромысло поворачивается вокруг оси, то одно плечо обгоняет другое. Перед вами, так сказать, линейный дифференциал, – кстати, симметричный. Его нетрудно сделать несимметричным – с неодинаковыми плечами. Прикиньте, как тогда делится усилие F. Осталось свернуть линейную конструкцию в механизм вращения, который делит уже не силу, а входной крутящий момент; вот и все.

Обыкновенный (симметричный) дифференциал с коническими шестернями
Обыкновенный (симметричный) дифференциал с коническими шестернями
Несимметричный дифференциал делит входной момент не поровну
Несимметричный дифференциал делит входной момент не поровну (но в заданной пропорции)
Torsen червячный дифференциал с автоматической блокировкой
Torsen – червячный дифференциал с автоматической блокировкой

«Зубная боль»

Итак, дифер – шестеренный механизм, а зубчатые колеса делают разные. И дифференциалы тоже – конические (самые обычные), цилиндрические, червячные… Соответственно, но идея всегда одна и та же. Гениальная простота: монтируем в ведущий мост (симметричный) дифференциал  и – вперед и с песней! На прямой колеса по бортам крутятся с одинаковой частотой, а в повороте дифер позволяет внешнему колесу забегать вперед (или отставать внутреннему). Причем тяга постоянно транслируется на оба ведущие колеса; ну чем не гармония?

Работа дифференциала на прямике
Работа дифференциала на прямике…
Работа дифференциала в правом повороте
… и в правом повороте (левое колесо забегает вперед)

И в самом деле – до тех пор, пока одно из ведущих колес не подскочит на неровности или не попадет на скользкую поверхность. Видели, как одно из ведущих колес на злу головушку шлифует лед, тогда как другое неподвижно? Здесь весь характер дифференциала (как поганого ведра): уж так он устроен. Дифер не просто делит входной крутящий момент, а (если он симметричный) выравнивает моменты на выходных валах. И когда – не дай Бог! – момент сопротивления качению на одном из колес падает практически до 0 (вывесили на домкрате), он добросовестно выровняет моменты на обоих. То есть, лишит тяги также и то колесо, которое надежно опирается на ходовую поверхность. Вся мощность (ее-то дифференциал не делит [Мощность равна, как известно, произведению момента на обороты вала. Поэтому, если один из валов остановлен, то мощность на нем, по определению, равна 0 (хотя крутящий момент вполне приличный]) улетает в бешеную раскрутку «холостого» колеса; вы этого хотели?

Свободный дифференциал доставляет немало неприятностей, даже когда он один-единственный – в (заднем или переднем) ведущем мосту. А в полноприводной трансмиссии их аж 3: передний, задний и межосевой (центральный)! И каждый из 3-х в любой момент готов сделать пакость: стоит одному из 4-х колес потерять сцепление с дорогой, как вся мощность тут же уйдет именно на него. То есть, трансмиссия 4WD с центральным дифференциалом (без блокировки тем или иным способом) практически неработоспособна: свободные дифференциалы беспрерывно гоняют то одно, то другое из колес. А то и пару (по борту) одновременно – вхолостую.

Причем дело не только в потере тяги; колесо подскочило в воздух – и тут же бешено раскручивается всей мощью мотора. При приземлении неизбежны его резкое торможение и пробуксовка – с нарушением стабильности машины на траектории, и так чуть не каждую секунду. И т.п., однако попробуйте обойтись без центрального дифера: автомобиль становится крайне трудноуправляемым в виражах. Поэтому полноприводные трансмиссии комплектуют дифференциалами, но обязательно оснащают блокировками (во всяком случае межосевого) – принудительными или автоматическими. Да и при заднем приводе нередко ставят самоблокирующийся дифер (повышенного внутреннего трения).

Блокировка дифференциала

Свободу дифференциала нужно ограничивать – посредством блокировки. Проще всего жесткая принудительная блокировка центрального (а также заднего) дифера: нажатием кнопки включается кулачковая муфта – и готово. «Ведро» закрыто, но управлять машиной на скорости тяжело – она не хочет идти в виражи и вообще [Появляется и другая неприятность – так называемая циркуляция мощности между ведущими мостами]. Поэтому блокируют дифференциалы лишь кратковременно – и освобождают с повышением скорости.

С жесткой блокировкой (центрального) дифера связано ходячее недоразумение: обычно считают, что тогда крутящий момент делится 50/50. Школьная ошибка, хотя на первый взгляд так и кажется. Однако первое впечатление уместно в любви и дружбе, а в технике лучше поразмыслить. Простенький эксперимент: заблокировали дифер в ведущем мосту и вывесили одно из 2-х колес на домкрате. Куда пойдет момент? Верно: он весь (100%) уходит на опорное колесо! Полная противоположность дифференциалу, жесткая связь не позволяет колесам крутиться вразнобой. Зато крутящий момент не делится в заданной пропорции, а самопроизвольно перераспределяется по сопротивлению качению ведущих колес. Как говорится, по построению. Каждое мгновение; мечта!

Езди автомобили строго по прямой, никаких дифференциалов не нужно. И голова не болит; увы, без зловредного устройства никак. Приходится мириться с пороками дифера и дооснащать его блокировками. Не обязательно жесткими – возможна и мягкая блокировка: скажем, не кулачковая, а многодисковая муфта (в масле). Гидро– или электрический исполнительный механизм зажимает муфту – слегка или сильнее (в принципе вплоть до полной блокировки). И дифер уже не может слить всю мощность на свободное колесо; часть ее – меньше или больше – все-таки идет на опорное. Причем все зависит от зажима муфты: слабо зажать – так, что она пропускает через себя, скажем, не больше 40 Нм крутящего момента. И опорному колесу достанется в пределах 40 Нм. Обратите внимание, не именно 40, а в пределах 40 Нм!

Зажать сильнее: в пределах 100, 200 Нм и т.д. – вплоть до полной блокировки. Тут начинают проявляться неприятные свойства жесткой связи, и управляемость машины значительно ухудшается.

Интересная игра: электроника отслеживает условия движения (скорость и ускорение автомобиля – боковое и продольное, угол поворота «баранки» и скорость ее вращения, пробуксовка каждого из колес и пр.) – и отдает команды на многодисковую муфту центрального дифера. И заднего тоже; муфты зажимаются и распускаются много раз в секунду. Так и устроены трансмиссии 4WD боевых ралли-аппаратов. Или таких легковушек как Mitsubishi Lancer Evo (которая и есть слегка «одомашненный» ралли-болид) и Nissan «скай». Три дифференциала (2 из них контролируются электроникой) нисколько не мешают им показывать потрясающую динамику и великолепную управляемость. Мило, но сложно и дорого.

Схема полноприводной трансмиссии с 3-я дифференциалами для Mitsubishi Evo
Схема полноприводной трансмиссии hi-tech с 3-я дифференциалами – для Mitsubishi Evo. Многодисковые муфты блокировки центрального и заднего диферов и пр.; кошмар для механиков

А попроще?

Можно и проще: многодисковая муфта вместо (не рядом, а взамен) межосевого дифференциала. Автоматическое подключение второго моста (переднего или заднего) – мягко-жесткая связь между ведущими осями. Понятно, что подключения кратковременные – иначе возникают все те же неприятности жесткой связи колес (хотя и в смягченной форме). Муфта играет – в отличие от ранних конструкций с вискомуфтами (внутренний автоматизм) – безостановочно: замыкается и размыкается. Автомобиль все время меняет свое поведение – то переднеприводный, то полноприводник с как бы заблокированным центральным дифером. Что в принципе не есть хорошо.

полноприводная трансмиссия BMW xDrive без межосевого дифференциала
Простенькая полноприводная трансмиссия BMW xDrive (без межосевого дифференциала): муфта подключения переднего моста

Но как известно, если нельзя, но очень хочется, то можно. Главное – частота срабатывания; ведь и цифровая запись музыки дискретная, прерывистая. Отдельными цифровыми «пакетами»; однако они следуют один за другим так часто, что мы воспринимаем музыкальную запись как вполне «гладкую» и качественную.

Вот и современные трансмиссии 4WD – без межосевого дифференциала, но с электронноуправляемой многодисковой муфтой, которая срабатывает много раз в секунду. Причем лучше подключать не задний мост, а передний (как у BMW X3): неизбежные перемены в поведении машины благоприятнее по характеру. А в своеобразной хондовской трансмиссии SH-AWD (Legend и др.) и вовсе один-единственный дифер (спереди) – при 2–х многодисковых муфтах в заднем мосту.

Как видите, полноприводные автомобили идут к тому, чтобы обходиться без зловредного механизма. И все же покажите болид WRC без центрального дифференциала , – может, тогда поверю.