Что такое дифференциал в автомобиле и зачем он нужен

Ни одна серийная машина с ДВС не обходится без дифференциала в приводе ведущих колёс. Но что это за узел, для чего нужен межосевой дифф и дифференциал повышенного трения? Чтобы у вас больше не возникало этих вопросов, рассказываем про принцип работы дифференциала автомобиля, а также описываем устройство свободного и самоблокирующегося дифференциала. 

Представьте себе ось автомобиля, который поворачивает. Её внешнее колесо находится дальше от центра виража, чем внутреннее. Поэтому оно за одно и то же время проходит больший путь. Если колёса оси жестко связаны, то либо внешнее будет подтормаживать и проскальзывать, либо внутреннее будет пробуксовывать. И то, и другое ведёт не только к активному износу шин, но и к потере управляемости. Поэтому инженерам пришлось добавить в конструкцию трансмиссии узел, который позволяет двум колёсам одной оси вращаться с разными скоростями. Это — самое простое объяснение того, для чего нужен дифференциал.

Дифференциал — это узел, который позволяет разделять входящий крутящий момент на два независимых потока. Причём в автомобиле необходим не только дифференциал заднего моста (или переднего) — если они оба ведущие, тягу двигателя требуется распределять и между осями. Для этого могут использовать межосевой дифференциал.

Зависит от конструкции автомобиля. Если говорить о межколёсном дифференциале, у переднеприводного автомобиля он расположен непосредственно в корпусе коробки передач. У заднеприводного — в корпусе заднего редуктора или моста. Полноприводные машины имеют сразу два межколёсных дифференциала, а также ещё один — межосевой, в корпусе КПП или раздаточной коробке. Задача такого узла точно такая же, как и у межколёсных, — передавать момент и допускать вращение выходных валов с разными скоростями. Впрочем, многие автомобили со всеми ведущими колёсами обходятся и без него. Но при этом теряется часть функционала трансмиссии. При жёстком соединении осей можно ездить только по скользким покрытиям — фактически допуская вышеописанную пробуксовку колёс. Либо одна из осей подключается только в момент, когда проскальзывают колёса другой, причём не жёстко (с помощью фрикционов), на короткое время или только на низкой скорости.

В любом дифференциале есть как минимум пара шестерён. Одна из них, ведущая, передаёт крутящий момент от коробки передач на ведомую, которая закреплена на корпусе дифференциала. Во вращающемся корпусе установлены ещё несколько шестерён, сцепленных между собой. Осями двух из них являются приводы колёс. Остальные шестерни (их называют сателлитами) вращаются на оси (осях), закреплённой на корпусе. 

Когда автомобиль движется по прямой, шестерни внутри корпуса вращаются с ним как единое целое, а момент передаётся на колёса в равных пропорциях (50:50). Если одно из колёс начинает вращаться быстрее, система сателлитов вступает в действие и компенсирует это вращение, замедляя второе колесо. Как это происходит, наглядно показывает видеоролик.

Именно в этом и есть основное назначение дифференциала. Но у него имеется и недостаток, который в определённых ситуациях сильно осложняет жизнь водителям. Представьте, что вы попали одним колесом в снег или на лёд, а другое имеет хорошее сцепление на асфальте. Вращать первое намного легче. В итоге другое колесо просто остановится. Но шина на льду не в силах при этом сдвинуть с места автомобиль, так как ей банально не хватает сцепных свойств для создания необходимого импульса.

С этим недостатком научились бороться, блокируя дифференциал.

Если свободное вращение колёс в определённых ситуациях водителя не устраивает, необходимо заставить вращаться все элементы дифференциала как единое целое и таким образом перераспределить момент нужным образом по колёсам или осям. Это делают разными средствами.

Имитация блокировки

Современная электроника, управляющая агрегатами автомобиля, измеряет скорость вращения каждого колеса. Когда она видит, что разница на одной оси существенно выше, чем это может быть в повороте, то есть одно колесо пробуксовывает, — система притормаживает его штатными тормозными механизмами. Соответственно, часть тяги двигателя при этом перераспределяется на другое колесо, лучше цепляющееся за дорогу. Следовательно, ситуация, когда одно колесо беспомощно буксует в снегу, уже исключена.

Но это не полноценная блокировка дифференциала, а лишь её имитация.

Принудительная блокировка

Такая есть у многих внедорожников, в том числе у  отечественной «Нивы». Реализация может быть разной, но принцип один. Водитель нажимает кнопку или передвигает рычаг, при этом происходит физическая блокировка шестерён-сателлитов, скорость колёс принудительно уравнивается, а момент распределяется поровну между ними. 

Такая конструкция предполагает только два положения: либо дифференциал в машине заблокирован, либо нет. В заблокированном состоянии передвигаться по твёрдым покрытиям на автомобиле с большой скоростью нельзя — значительно возрастают нагрузки на трансмиссию. Именно поэтому принудительная блокировка используется только на внедорожниках, которые созданы в том числе и для мягких грунтов.

Самоблокирующиеся дифференциалы

Их другое название — дифференциалы повышенного трения (или LSD — Limited Slip Differential). Такие конструкции используются как на автомобилях повышенной проходимости и кроссоверах, так и на просто мощных машинах, в том числе спорткарах. Преимущество самоблокирующегося дифференциала в том, что степень блокировки может меняться — от свободного вращения колёс до работы дифференциала как единого целого. Причём автоматически, то есть от водителя никаких действий не требуется.

Для блокировки дифференциал дополняют вязкостной или фрикционной муфтой (почти как в коробке-«автомат»). Принцип действия дифференциалов такого типа может отличаться в деталях, но в целом он основан на «замыкании» одного приводного вала на корпус дифференциала. Причём чем быстрее проскальзывает одно из колёс, тем сильнее смыкается муфта, стремясь уменьшить разницу в скорости вращения осей.

Есть ещё и конструкции с червячной передачей — например, дифференциал Торсен (Torsen). В нём сигналом к блокировке служит разница в крутящем моменте на каждом колесе. Фактически Torsen реагирует на разницу в покрытии под колёсами. Он срабатывает быстрее и точнее, чем конструкции с муфтами, но сложнее по конструкции, а значит, дороже в производстве и ремонте.

Самоблокирующийся дифференциал пригоден для любых покрытий: в штатных режимах он работает как обычный дифф, ведь в повороте разница между вращением колёс всегда невелика. Этим и объясняется его активное использование в кроссоверах. Из недостатков — склонность LSD с муфтой к перегреву при длительном буксовании. Впрочем, после снижения температуры дифференциал возвращается к нормальной работе.