Являясь неразрывно связанными между собой, оба они уже несколько столетий активно используются при решении практически всех задач, которые возникали в процессе научно-технической деятельности человека.

Возникновение понятия о дифференциале

Впервые разъяснил, что такое дифференциал, один из создателей (наряду с Исааком Ньютоном) дифференциального исчисления знаменитый немецкий математик Готфрид Вильгельм Лейбниц. До этого математиками 17 ст. использовалось весьма нечеткое и расплывчатое представление о некоторой бесконечно малой «неделимой» части любой известной функции, представлявшей очень малую постоянную величину, но не равную нулю, меньше которой значения функции быть просто не могут. Отсюда был всего один шаг до введения представления о бесконечно малых приращениях аргументов функций и соответствующих им приращениях самих функций, выражаемых через производные последних. И этот шаг был сделан практически одновременно двумя вышеупомянутыми великими учеными.

Исходя из необходимости решения насущных практических задач механики, которые ставила перед наукой бурно развивающаяся промышленность и техника, Ньютон и Лейбниц создали общие способы нахождения скорости изменения функций (прежде всего применительно к механической скорости движения тела по известной траектории), что привело к введению таких понятий, как производная и дифференциал функции, а также нашли алгоритм решения обратной задачи, как по известной (переменной) скорости найти пройденный путь, что привело к появлению понятия интеграла.

В трудах Лейбница и Ньютона впервые появилось представление о том, что дифференциалы - это пропорциональные приращениям аргументов Δх основные части приращений функций Δу, которые могут быть с успехом применены для вычисления значений последних. Иначе говоря, ими было открыто, что приращение функции может быть в любой точке (внутри области ее определения) выражено через ее производную как Δу = y"(x) Δх + αΔх, где α Δх - остаточный член, стремящийся к нулю при Δх→0, гораздо быстрее, чем само Δх.

Согласно основоположникам матанализа, дифференциалы - это как раз и есть первые члены в выражениях приращений любых функций. Еще не обладая четко сформулированным понятием предела последовательностей, они интуитивно поняли, что величина дифференциала стремится к производной функции при Δх→0 - Δу/Δх→ y"(x).

В отличие от Ньютона, который был прежде всего физиком, и рассматривал математический аппарат как вспомогательный инструмент исследования физических задач, Лейбниц уделял большее внимание самому этому инструментарию, включая и систему наглядных и понятных обозначений математических величин. Именно он предложил общепринятые обозначения дифференциалов функции dy = y"(x)dx, аргумента dx и производной функции в виде их отношения y"(x) = dy/dx.

Современное определение

Что такое дифференциал с точки зрения современной математики? Он тесно связан с понятием приращения переменной величины. Если переменная y принимает сначала значение y = y 1 , а затем y = y 2 , то разность y 2 ─ y 1 называется приращением величины y.

Приращение может быть положительным. отрицательным и равным нулю. Слово «приращение» обозначается Δ, запись Δу (читается «дельта игрек») обозначает приращение величины y. так что Δу = y 2 ─ y 1 .

Если величину Δу произвольной функции y = f (x) возможно представить в виде Δу = A Δх + α, где у A нет зависимости от Δх, т. е. A = const при данном х, а слагаемое α при Δх→0 стремится к нему же еще быстрее, чем само Δх, тогда первый («главный») член, пропорциональный Δх, и является для y = f (x) дифференциалом, обозначаемымdy или df(x) (читается «дэ игрек», «дэ эф от икс»). Поэтому дифференциалы - это «главные» линейные относительно Δх составляющие приращений функций.

Механическое истолкование

Пусть s = f (t) - расстояние прямолинейно движущейся от начального положения (t - время пребывания в пути). Приращение Δs - это путь точки за интервал времени Δt, а дифференциал ds = f" (t) Δt - это путь, который точка прошла бы за то же время Δt, если бы она сохранила скорость f"(t), достигнутую к моменту t. При бесконечно малом Δt воображаемый путь ds отличается от истинного Δs на бесконечно малую величину, имеющую высший порядок относительно Δt. Если скорость в момент t не равна нулю, то ds дает приближенную величину малого смещения точки.

Геометрическая интерпретация

Пусть линия L является графиком y = f (x). Тогда Δ х= MQ, Δу = QM" (см. рисунок ниже). Касательная MN разбивает отрезок Δу на две части, QN и NM". Первая пропорциональна Δх и равна QN = MQ∙tg (угла QMN) = Δх f "(x), т. е QN есть дифференциал dy.

Вторая часть NM"дает разность Δу ─ dy, при Δх→0 длина NM" уменьшается еще быстрее, чем приращение аргумента, т.е у нее порядок малости выше, чем у Δх. В рассматриваемом случае, при f "(x) ≠ 0 (касательная не параллельна ОХ), отрезки QM"и QN эквивалентны; иными словами NM" уменьшается быстрее (порядок малости ее выше), чем полное приращение Δу = QM". Это видно на рисунке (с приближением M"к М отрезок NM"составляет все меньший процент отрезка QM").

Итак, графически дифференциал произвольной функции равен величине приращения ординаты ее касательной.

Производная и дифференциал

Коэффициент A в первом слагаемом выражения приращения функции равен величине ее производной f "(x). Таким образом, имеет место следующее соотношение - dy = f "(x)Δх, или же df (x) = f "(x)Δх.

Известно, что приращение независимого аргумента равно его дифференциалу Δх = dx. Соответственно, можно написать: f "(x) dx = dy.

Нахождение (иногда говорят, «решение») дифференциалов выполняется по тем же правилам, что и для производных. Перечень их приведен ниже.

Что более универсально: приращение аргумента или его дифференциал

Здесь необходимо сделать некоторые пояснения. Представление величиной f "(x)Δх дифференциала возможно при рассмотрении х в качестве аргумента. Но функция может быть сложной, в которой х может быть функцией некоторого аргумента t. Тогда представление дифференциала выражением f "(x)Δх, как правило, невозможно; кроме случая линейной зависимости х = at + b.

Что же касается формулы f "(x)dx= dy, то и в случае независимого аргумента х (тогда dx = Δх), и в случае параметрической зависимости х от t, она представляет дифференциал.

Например, выражение 2 x Δх представляет для y = x 2 ее дифференциал, когда х есть аргумент. Положим теперь х= t 2 и будем считать t аргументом. Тогда y = x 2 = t 4 .

Это выражение не пропорционально Δt и потому теперь 2xΔх не является дифференциалом. Его можно найти из уравнения y = x 2 = t 4 . Он оказывается равен dy=4t 3 Δt.

Если же взять выражение 2xdx, то оно представляет дифференциал y = x 2 при любом аргументе t. Действительно, при х= t 2 получим dx = 2tΔt.

Значит 2xdx = 2t 2 2tΔt = 4t 3 Δt, т. е. выражения дифференциалов, записанные через две разные переменные, совпали.

Замена приращений дифференциалами

Если f "(x) ≠ 0, то Δу и dy эквивалентны (при Δх→0); при f "(x) = 0 (что означает и dy = 0), они не эквивалентны.

Например, если y = x 2 , то Δу = (x + Δх) 2 ─ x 2 = 2xΔх + Δх 2 , а dy=2xΔх. Если х=3, то имеем Δу = 6Δх + Δх 2 и dy = 6Δх, которые эквивалентны вследствие Δх 2 →0, при х=0 величины Δу = Δх 2 и dy=0 не эквивалентны.

Этот факт, вместе с простой структурой дифференциала (т. е. линейности по отношению к Δх), часто используется в приближенных вычислениях, в предположении, что Δу ≈ dy для малых Δх. Найти дифференциал функции, как правило, легче, чем вычислить точное значение приращения.

Например, имеем металлический куб с ребром х=10,00 см. При нагревании ребро удлинилось на Δх = 0,001 см. Насколько увеличился объем V куба? Имеем V = х 2 , так что dV = 3x 2 Δх = 3∙10 2 ∙0/01 = 3 (см 3). Увеличение объема ΔV эквивалентно дифференциалу dV, так что ΔV = 3 см 3 . Полное вычисление дало бы ΔV =10,01 3 ─ 10 3 = 3,003001. Но в этом результате все цифры, кроме первой ненадежны; значит, все равно, нужно округлить его до 3 см 3 .

Очевидно, что такой подход является полезным, только если возможно оценить величину привносимой при этом ошибки.

Дифференциал функции: примеры

Попробуем найти дифференциал функции y = x 3 , не находя производной. Дадим аргументу приращение и определим Δу.

Δу = (Δх + x) 3 ─ x 3 = 3x 2 Δх + (3xΔх 2 + Δх 3).

Здесь коэффициент A= 3x 2 не зависит от Δх, так что первый член пропорционален Δх, другой же член 3xΔх 2 + Δх 3 при Δх→0 уменьшается быстрее, чем приращение аргумента. Стало быть, член 3x 2 Δх есть дифференциал y = x 3:

dy=3x 2 Δх=3x 2 dx или же d(x 3) = 3x 2 dx.

При этом d(x 3) / dx = 3x 2 .

Найдем теперь dy функции y = 1/x через ее производную. Тогда d(1/x) / dx = ─1/х 2 . Поэтому dy = ─ Δх/х 2 .

Дифференциалы основных алгебраических функций приведены ниже.

Приближенные вычисления с применением дифференциала

Вычислить функцию f (x), а также ее производную f "(x) при x=a часто нетрудно, а вот сделать то же самое в окрестности точки x=a бывает нелегко. Тогда на помощь приходит приближенное выражение

f(a + Δх) ≈ f "(a)Δх + f(a).

Оно дает приближенное значение функции при малых приращениях Δх через ее дифференциал f "(a)Δх.

Следовательно, данная формула дает приближенное выражение для функции в конечной точке некоторого участка длиной Δх в виде суммы ее значения в начальной точке этого участка (x=a) и дифференциала в той же начальной точке. Погрешность такого способа определения значения функции иллюстрирует рисунок ниже.

Однако известно и точное выражение значения функции для x=a+Δх, даваемое формулой конечных приращений (или, иначе, формулой Лагранжа)

f(a+ Δх) ≈ f "(ξ) Δх + f(a),

где точка x = a+ ξ находится на отрезке от x = a до x = a + Δх, хотя точное положение ее неизвестно. Точная формула позволяет оценивать погрешность приближенной формулы. Если же в формуле Лагранжа положить ξ = Δх /2, то хотя она и перестает быть точной, но дает, как правило, гораздо лучшее приближение, чем исходное выражение через дифференциал.

Оценка погрешности формул при помощи применения дифференциала

В принципе неточны, и привносят в данные измерений, соответствующие ошибки. Их характеризуют предельной или, короче, предельной погрешностью - положительным числом, заведомо превышающим эту ошибку по абсолютной величине (или в крайнем случае равным ей). Предельной называют частное от ее деления на абсолютное значение измеренной величины.

Пусть точная формула y= f (x) использована для вычисляения функции y, но значение x есть результат измерения и поэтому привносит в y ошибку. Тогда, чтобы найти предельную абсолютную погрешность │‌‌Δу│функции y, используют формулу

│‌‌Δу│≈│‌‌dy│=│ f "(x)││Δх│,

где │Δх│является предельной погрешностью аргумента. Величину │‌‌Δу│ следует округлить в сторону увеличения, т.к. неточной является сама замена вычисления приращения на вычисление дифференциала.

Многие, кто собрался приобретать внедорожник, при выборе определённой модели, конечно могли столкнуться с термином «блокировка дифференциала». Но что это? Как это? И каков принцип работы и надобность этого самого дифференциала? Как показывает практика, знают не все будущие потенциальные «джиповоды».

В этой статье мы расскажем о том, что из себя представляет дифференциал и зачем он в автомобиле. Каких разновидностей он бывает и на какие автомобили предусмотрена его установка?

История дифференциала

Появление дифференциала в автомобильном мире не заставило себя ждать. Спустя лишь несколько лет, после того, как с конвейера стали сходить первые автомобили с двигателем внутреннего сгорания (ДВС). Давно ведь дело обстояло не так сладко, как сейчас и первые автомобильные образцы, которые работали при помощи двигателя, очень плохо управлялись.

Колёса, расположенные на одной оси, во время поворота вращались с одинаковой угловой скоростью, а это уже приводило к тому, что колесо, идущее по внешнему диаметру, сильно пробуксовывало. Решили эту проблему достаточно просто: заимствованием дифференциала у паровых повозок.

Этот механизм был изобретён во Франции в 1828 году инженером Оливером Пекке-Ром. Это было устройство, которое состояло из валов и шестерней. Через него крутящий момент от ДВС передавался на ведущие колёса.Но вот случилась ещё одна незадача – стали пробуксовывать колёса, которые утрачивали сцепление с дорожным покрытием. Зачастую это проявлялось во время движения по дороге с обледенелыми участками.

Колесо, которое находилось на льду, вращалось с большей скоростью, чем колесо, что оставалось на более пригодной для движения поверхности. Это и приводило к заносу. После конструкторы и стали думать о том, как настроить дифференциал, чтобы колёса вращались с одинаковой скоростью, дабы воспрепятствовать появлению заносов.

Первым человеком, проводившим эксперименты над дифференциалом с минимальным проскальзыванием, стал ни кто иной как Фердинанд Порше. Для того, чтобы рынок повидал кулачковый дифференциал – «детище» Порше с ограниченным проскальзыванием, потребовалось не менее трёх лет. Им оснащали первые модели автомобилей марки . В следующие десятилетия инженерами были разработаны разнообразные виды дифференциалов, о которых мы расскажем Вам далее.

Принцип работы и устройство

Давайте, пожалуй, начнём с типа дифференциала, который является самым простым для рассмотрения – открытого дифференциала. Мы начнем с простейшего типа дифференциала, называемого открытым дифференциалом. Итак, конструкция дифференциала включает в себя следующие части:

- Ведущий вал. Его задача заключается в передаче крутящего момента. Вал ведёт его от трансмиссии к самому началу дифференциала.

- Ведущая шестерня ведущего вала. Шестерня в форме косозубого конуса, необходимая для сцепки дифференциальных механизмов.

- Коронная шестерня. Элемент, являющийся ведомым. Так же имеет форму конуса и вращается ведущей шестернёй. Система вместе взятых ведущей и ведомой шестерней называется главной передачей. Она служит на завершающем этапе по уменьшению скорости вращения, которое достигает колёс в конечном счёте. Ведущая шестерня в своих размерах гораздо уступает коронной , поэтому для осуществления одного оборота ведомой, первой необходимо совершить не один оборот вокруг своей оси.

- Шестерни полуосей. Являются последним рубежом передачи вращения ведущего вала колёсам.

- Сателлиты – это планетарный механизм, осуществляющий ключевую роль в обеспечении разной угловой скорости колёс при осуществлении поворота.

Когда Вы двигаетесь по прямой на своём автомобиле, то весь дифференциальный механизм вращается с единой скоростью: входной вал вращается с идентичной скоростью, что и полуоси, соответственно, с той же скоростью происходит и вращение самих колёс. Но только Вы повернёте руль, ситуация моментально в корне изменяется. Главными игроками теперь выступают сателлиты, которые разблокировываются под воздействием разности нагрузок на колёса , когда, например, одно колесо начинает пробуксовывать и поэтому движется быстрее.

Вся мощность мотора проходит непосредственно через них. А в результате того, что сателлиты представляют из себя две шестерни, которые независимы, то происходит передача разной частоты вращения двум полуосям. Но мощность не разделяется поровну, а передаётся на колесо, что движется во внешнем крае поворота машины . Следовательно оно и начинает крутиться гораздо быстрее за счёт количественного прибавления оборотов. И разность в распределении мощностей между колёсами тем больше, чем меньше радиус поворота автомобиля, то есть чем сильнее Вы выворачиваете рулевое колесо.

Что такое блокировка дифференциала и как она работает

Блокировка дифференциала – это один из эффективнейших способов повышения внедорожных характеристик автомобиля. Любой автомобиль, который предназначается напрямую или косвенно для бездорожья, оснащается конструкторами на заводе механизмом, который блокирует межосевой дифференциал. Так же автомобили оснащают механизмами, блокирующими передний и задний мосты.

Блокировка данного механизма, как и любое технологическое решение имеет свои преимущества и недостатки. Чтобы понять, когда необходимо использовать блокировку дифференциалов, а какие случаи просто запрещают её использование, нужно разобраться в принципах, на которых её действие основывается.

Попробуйте в зимнее заснеженное время совершить с места прыжок в длину. Ага. А вот и не получается, а всё потому, что одна нога у вас оказалась на скользкой оледенелой поверхности, а вторая на сухом асфальте. Вот из-за этого и не получилось совершить чемпионский прыжок. Одна нога выскользнула из под Вас, а мозг не сориентировался вовремя и не дал команду вложить всю силу для толчка в другую ногу. Итог этого эксперимента достаточно весел и комичен: ноги разъехались и Вы чуть не рухнули на пятую точку.

Так что же сделать в данном случае, чтобы обе ноги возымели возможность прекрасно оттолкнуться от земли? А всё очень и очень просто. Необходимо просто две толчковые ноги превратить в одну, связав их прочно между собой прочным ремнём или жгутом. Теперь они будут работать, как одно целое и будет использоваться максимальная сила толчка от одной стабильной опорной поверхности с хорошим сцеплением. Аналогичный процесс происходит и в автомобиле в момент взаимодействия его ведущих колёс с дорогой.

Давайте представим ситуацию при которой заднеприводный автомобиль остановился случайным образом так, что его левое колесо оказалось на скользкой поверхности, а правое на асфальте. Как Вам известно, стандартный межосевой дифференциал малого трения , который находится на заднем мосту автомобиля, всегда предоставляет колёсам равную окружную силу. Левое колесо, находящееся на льду, не в состоянии сдвинуться со скользкой поверхности с применением больших усилий в силу недостаточности сцепления.

И-за этого дифференциал не в состоянии предоставить ему огромное усилие, так как это просто невозможно физически. А в этом случае аналогичная сила подведётся и к колесу , которое находится на асфальтированной поверхности. Он выровняет усилия, которые распределены между колёсами, ориентируясь на левое колесо.

В результате машина сдвинется с места с пробуксовкой, но медленно. Его колёса не смогут использовать достаточную для толчка силу, которая была бы необходима для сцепления правого колеса, которая в данных условиях будет ни много, ни мало, а в целых семь раз превышающую чем у левого. Из-за такого свойства распределять тяговую силу поровну, правое колесо будет использовать лишь седьмую часть его возможностей сцепления с асфальтом. Говоря проще, толчок мог бы случиться в семь раз мощнее, но дифференциалом не было подведено к нему достаточного количества силы для совершения этого манёвра.

Следовательно необходимо осуществить такую связь между колёсами, для обеспечения совместного вращения или пробуксовки, буд-то бы единого колеса. Для решения данной задачи используется специальный механизм, блокирующий вращение шестерней дифференциала и связывающий два колеса между собой условной жёсткой связью с постоянным вращением и одинаковой скоростью. Такой механизм называется «механизм блокировки (отключения) дифференциала», или в простонародье – блокировкой.

Дифференциал, что заблокирован не в состоянии выравнивать межколёсное усилие, тем самым делая их связанными единой осью. В результате чего каждое колесо получает максимально возможную силу, которая нужна для наилучшего сцепления колёс. Следовательно, где лучше сцепление колёс с дорожной поверхностью, туда и будет прилагаться большая сила.

Какие бывают дифференциалы

Основой дифференциала является планетарный редуктор. Вид зубчатой передачи, который используется, условно может разделить дифференциал на три вида:

- Червячный;

Цилиндрический;

Конический.

Червячный дифференциал является самым универсальным и устанавливается как между осями, таки между колёсами. Цилиндрический тип, зачастую, располагается во внедорожниках меж осей. Конический тип в основном применяется в качестве межколёсного дифференциала.

Выделяют так же симметричный и несимметричный дифференциалы. Несимметричная конструкция дифференциала устанавливается в полно приводных автомобилях между осями, распределяя крутящий момент в различных пропорциях. Симметричный тип передаёт на ось между двумя колёсами равный крутящий момент. Так же дифференциалы разделяют по виду блокирования: ручная блокировка и электронная блокировка.

Ручная блокировка дифференциала

Исходя из названия, блокировка дифференциала оси включается по инициативе водителя с помощью нажатия кнопки или переключения определённого тумблера. В данном случае происходит блокировка шестерней-сателлитов, в результате чего ведущие колёса начинают вращаться с одинаковой скоростью. Зачастую ручной блокировкой дифференциала оснащаются внедорожники. Включать её рекомендуется для преодоления тяжёлого бездорожья, а отключение производить при выезде на обычную асфальтированную дорогу.

Электронная или автоматическая блокировка дифференциала

Автоматическое блокирование дифференциала осуществляется путём команд электронного блока управления, который анализирует состояние, в котором находится дорожное покрытие, используя ABSи ESP. Затем ЭБУ самостоятельно блокирует шестерни-сателлиты. По степени блокирования это устройство можно условно подразделить на дифференциал с полной и частичной блокировками.

Полная блокировка дифференциала

Включение такой блокировки подразумевает под собой тот факт, что шестерни-сателлиты останавливаются полностью, а механизм берётся за выполнение функций обычной муфты, тем самым передавая равностепенный крутящий момент на две полуоси. Вследствие этого оба колеса вращаются с одинаковой угловой скоростью. Если случится то, что хотя бы одно колесо потеряет сцепление с поверхностью, то крутящий момент с него в полной мере передаётся на другое колесо, которое осталось форсировать бездорожье. Такое дифференциальное устройство успешно реализовано на Toyota Land Cruiser, Mercedes-Benz G-Class и других.

Частичная блокировка дифференциала

Включение этой блокировки не полностью останавливает шестерни-сателлиты, а позволяет им проскальзывать. Такой эффект доступен благодаря самоблокирующимся дифференциалам. В зависимости от типа срабатывания данного механизма, делят его на два вида: Speed sensitive (задействуется, когда замечается разница в угловых скоростях вращения полуосей) и Torque sensitive (задействуется в случае уменьшения крутящего момента одной полуоси).Такой тип срабатывания дифференциального устройства можно встретить на внедорожниках Mitsubishi Pajero, Audi Q-серии и BMW X-серии.

Группа дифференциалов Speed sensitive различается строением конструкции. Одним из таких механизмов является тот, в котором дифференциальную функцию выполняет вискомуфта. Вискомуфта отличается от фрикционного дифференциала своей меньшей надёжностью. Именно из-за этого она имеет место устанавливаться на автомобили, которые не предназначены для преодоления непролазных дебрей и глубоких бродов или на автомобили со спортивным характером.

Ещё один механизм представляющий группу Speed sensitive называется героторный дифференциал. Роль блокирующих элементов здесь играют масляный насос и фрикционные пластины, монтируемые между корпусом дифференциала и шестернями-сателлитами полуосей. Хотя по принципу действия он схож с вискомуфтой.

Дифференциалы, которые относятся к группе Torque sensitive , также различны по своей конструкции. Например есть механизм с использованием фрикционного дифференциала. Особенность его заключается в разности угловых скоростей колёс в поворотах и при движении по прямой. Когда автомобиль движется по прямой, угловая скорость вращения обоих колёс одинакова, а во время прохождения поворота, крутящий момент для колёс различен.

Очередной тип дифференциалов - с гипоидным и косозубым зацеплением. Они условно подразделяются на три группы.

Первая – с гипоидным зацеплением

Здесь каждая полуось имеет свои собственные шестерни-сателлиты. Крепятся они между собой путём прямозубого зацепления, располагаясь перпендикулярно друг относительно друга. В случае возникновения разницы угловых скоростей ведущих колёс, происходит расклинивание шестерней полуосей. В результате чего шестерни трутся о корпус дифференциала. Дифференциал частично блокируется и происходит перераспределение крутящего момента на ось, с меньшей скоростью углового вращения. После выравнивания полуосевых скоростей, блокировка деактивируется.

Вторая – с косозубым зацеплением

Аналогична первой, но расположение шестерен-сателлитов параллельно относительно полуосей. Эти агрегаты крепятся между собой путём косозубого зацепления. Сателлиты этого механизма вмонтированы в специальные ниши на корпусе дифференциала.Когда наблюдается различие в угловой скорости колёсного вращения, шестерни расклиниваются и сопрягаются с шестернями, что находятся в нишах дифференциального корпуса. Происходит частичная блокировка. Направление крутящего момента определяется на ось с меньшей скоростью вращения.

Третья – с косозубыми шестернями полуосей и винтовыми шестернями сателлитов

Используется в межосевых дифференциалах. Принцип тот же – смещение крутящего момента на ось с меньшим вращением. Диапазон смещения этого вида достаточно велик - от 65/35 до 35/65. Когда угловая скорость колёсного вращения обоих осей стабилизируется и выравнивается, дифференциал разблокировывается. Эти дифференциальные группы широко применяются в автомобилестроении как на обычных моделях, так и на спортивных.

Преимущества и недостатки блокировки дифференциалов

+ возможность колёсного блокирования до 70%;

Минимальное обслуживание;

Отсутствие рывков на руле;

КПП не требует заливания специального масла;

Установка не влечёт никаких сложностей;

Обеспечение лучших внедорожных характеристик автомобиля;

Более длительный срок работы конструкции;

Лучшая управляемость автомобиля;

Способность прохождения поворотов на более высоких скоростях;

Автомобиль легче выводится из заноса.

По истечению времени падает преднатяг;

Требуется замена регулировочных элементов каждые 40 тысяч километров для лучшей работоспособности конструкции;

Не своевременное или запоздалое проведение регулировочных работ приведут к тому, что система будет работать не корректно.

Подписывайтесь на наши ленты в

Служит для распределения подводимого к нему вращающего момента между выходными валами и обеспечивает возможность их вращения с неодинаковыми угловыми скоростями.

При движении колесного ТС на повороте внутреннее колесо каждой оси проходит меньшее расстояние, чем ее наружное колесо, а колеса одной оси проходят разные пути по сравнению с колесами других осей.

Неодинаковые пути проходят колеса ТС при движении по неровностям на прямолинейных участках и на повороте, а также в случае прямолинейного движения по ровной дороге при разных радиусах качения колес, например при неодинаковом давлении воздуха в шинах и износе шин или неравномерном распределении груза на ТС.

Если бы все колеса вращались с одинаковой скоростью, это неизбежно приводило бы к их проскальзыванию и пробуксовыванию относительно опорной поверхности, следствием чего явились бы повышенный износ шин, увеличение нагрузок в механизмах трансмиссии, затраты мощности двигателя на работу скольжения и буксования, повышение расхода топлива, а также трудность поворота транспортной машины. Таким образом, колеса ТС должны иметь возможность вращаться с неодинаковыми угловыми скоростями относительно друг друга. У неведущих колес это обеспечивается тем, что они установлены свободно на своих осях и каждое из них вращается независимо друг от друга. У ведущих колес это обеспечивается установкой в их приводе дифференциалов.

Основные типы дифференциалов

По месту расположения дифференциалы подразделяют на:

• межколесные (распределяющие вращающий момент между ведущими колесами одной оси)
• межосевые (распределяющие момент между главными передачами двух ведущих мостов)
• центральные (распределяющие момент между группой ведущих мостов)

По соотношению вращающих моментов на ведомых валах дифференциалы могут быть:

• симметричными (моменты на ведомых валах всегда равны между собой)
• несимметричные (отношение моментов на ведомых валах не равно единице)

Различают также дифференциалы:

• неблокируемые
• блокируемые принудительно
• самоблокирующиеся

По конструкции дифференциалы подразделяют на:

• конические
• цилиндрические
• кулачковые
• червячные

В некоторых случаях вместо дифференциалов устанавливают механизмы типа муфт свободного хода.

В настоящее время на колесных ТС наиболее широкое распространение получили конические симметричные неблокируемые дифференциалы.

Видео: Как работает дифференциал?

Схемы дифференциалов

Рис. Схемы простых дифференциалов с постоянным соотношением моментов на ведомых валах: а — симметричного конического; б — симметричного цилиндрического; в — несимметричного цилиндрического; г — несимметричного конического; 1, 8 — левая и правая полуоси дифференциала; 2, 6 — левая и правая полуосевые шестерни; 3 — сателлит; 4 — корпус дифференциала; 5 — ведомое колесо главной передачи; 7 — ось вращения сателлитов; 9 — солнечная шестерня; 10 — эпициклическая шестерня

Рис. Межколесный симметричный конический дифференциал: 1, 8 — чашки дифференциала; 2, 7 — опорные шайбы полу осевых зубчатых колес; 3, 6 — полу осевые зубчатые колеса; 4 — опорная шайба сателлита; 5 — сателлиты; 9 — крестовина

Рис. Схемы несимметричных дифференциалов: а - конический; б - цилиндрический

Рис. Кулачковый дифференциал автомобиля ГАЗ-66-11 (а) и схема его работы (б): 1 - внутренняя звездочка; 2 - сепаратор; 3 - наружная звездочка; 4 - чашка дифференциала; 5 - сухарь

Рис. Блокируемый межколесный дифференциал: 1 - муфта; 2 - зубчатый венец

Рис. Межосевой дифференциал автомобиля КамАЗ-5320: 1 - ведущий вал; 2 - уплотнительная манжета; 3 - картер дифференциала; 4, 7 - опорные шайбы; 5, 17 - чашки дифференциала; 6 - сателлит: 8 - датчик блокировки; 9 - пробка заливного отверстия; 10 - пневматическая камера блокировки; 11 - вилка; 12 - стопорное кольцо; 13 - зубчатая муфта; 14 - муфта блокировки; 15 - сливная пробка; 16 - зубчатое колесо привода среднего моста; 18 - крестовина; 19 - зубчатое колесо привода заднего моста; 20 - болт крепления чашек; 21 - подшипник; 22 - крышка подшипника

Рис. Работа межколесного дифференциала: а - общая схема; б - при движении прямо; в - при повороте; 1 - корпус дифференциала; 2, 5 - полуосевые зубчатые колеса; 3 - крестовина: 4, 6 - сателлиты; 7 - ведущее зубчатое колесо главной передачи; 8, 9 - полуоси; 10 - ведомое зубчатое колесо главной передачи

Рис. Межосевой дифференциал Torsen: 1, 3 — правая и левая полуосевые шестерни; 2 — корпус дифференциала; 4 — сателлит, связанный с правой полуосевой шестерней; 5, 7 — выходные валы дифференциала; 6 — сателлит, связанный с левой полуосевой шестерней

Его основное предназначение заключается в распределении, изменении и передачи крутящего момента, а при необходимости, для обеспечения вращения двух потребителей с различными угловыми скоростями.

Межколесный дифференциал – это дифференциал, предназначенный для привода ведущих колес, если же он установлен между ведущими мостами в полноприводном автомобиле – межосевой интервал.

Как правило, дифференциал автомобиля располагается в следующим местах:

• Привод ведущих мостов в полноприводном автомобиле – в раздаточной коробке
• Привод ведущих колес в полноприводном автомобиле – в картере заднего и переднего моста
• Привод ведущих колес в переднеприводном автомобиле — в коробке передач
• Привод ведущих колес в заднеприводном автомобиле – картер заднего моста

В основе дифференциала лежит планетарный редуктор. Используемый в редукторе вид зубчатой передачи условно делит дифференциал на три следующих вида:

• Червячный
• Цилиндрический
• Конический

Червячный – самый универсальный дифференциал и может быть установлен как между осями, так и между колесами. Цилиндрический тип, как правило, располагается в автомобилях между осями. Конический тип применяется в основном как межколесный.

Различают также несимметричный и симметричный дифференциалы автомобиля. Несимметричный тип устанавливается между двумя приводными осями и позволяет передавать крутящий момент в различных пропорциях. Симметричный тип, как правило, устанавливается на главных передачах и позволяет передает на два колеса равный по значению крутящий момент.

Устройство автомобильного дифференциала

Основными элементами дифференциала являются:

• Полуосевые шестерни
• Шестерни сателлитов
• Корпус

Схема дифференциала переднеприводного автомобиля:
1 — ведомая шестерня главной передачи; 2 — фрагмент ведущей шестерни главной передачи; 3 — ось сателлитов; 4 — сателлит; 5 — корпус дифференциала; 6 — правый фланцевый вал; 7 — сальник; 8 — конический роликовый подшипник; 9 — полуосевая шестерня; 10 — левый фланцевый вал; 11 — фрагмент картера коробки передач.

Шестерни сателлитов по своему принципу работы напоминают планетарный редуктор и служат для соединения между собой корпуса и полуосевой шестерни. Последние в свою очередь соединяются с помощью шлицов с ведущими колесами. В различных конструкциях используются четыре или два сателлита, в легковых автомобилей чаще используется второй вариант.

Чашка дифференциала или корпус – ее основное предназначение заключается в том, чтобы передавать через сателлиты крутящий момент от главной передачи к полуосевым шестерням. Внутри него располагаются оси для вращения сателлит.

Солнечные или полуосевые шестерни – предназначены для передачи крутящего момента с помощью полуосей на ведущие колеса. Левая и правая шестерни могут иметь как одинаковое, так и различное между собой число зубцов. В свою очередь шестерни с различным число зубов используются для образование несимметричного дифференциала, а с одинаковым количеством – для симметричного.

Принцип работы автомобильного дифференциала

Работает дифференциал следующим образом: вращая одно из ведущих колес автомобиля, второе начнет вращаться в противоположном направлении, но при этом должно выполняться условие неподвижности карданного вала. В данном случае стеллиты вращаются в свих осях, играя роль шестерни.

Если завести двигатель и включить сцепление и любую из передач, начнет свое вращение карданный вал, передающий свой крутящий момент через цилиндрические и конические шестерни коробке дифференциала.

Таким образом, во время движения автомобиля по кривой траектории одно колесо замедляет свой ход, второе наоборот увеличивает его. В результате устраняется пробуксовка и скольжение колес и каждое из них вращается с той скоростью, которая необходима для безопасного движения.

Во время движения автомобиля по прямой, ничего особенного не происходи и дифференциал передает крутящий момент на оба колеса в одинаковом соотношении. Шестерни полуосевые вращаются с одинаковой угловой скоростью, так как сателлиты в этом случае находятся в неподвижном состоянии.

При движении на скользких покрытиях дифференциал обладает одним существенным недостатком – он может вызвать боковой занос машины, так как на буксующем колесе низкая сила сцепления с покрытием и оно начинает вращаться в холостую.

Самые простейшие дифференциалы автомобиля обладают еще одним недостатком. При попадании грязи или прочих сторонних элементов между шлицами крутящий момент может передаваться в различном соотношении, даже 0 к 100. Таким образом, одно колесо останется в абсолютно статичном положение.

Современные модели практически лишены данного недостатка. Их устройство отличается ручной или автоматической более жесткой . Более того, во многих легковых современных машинах устанавливаются системы стабилизации и курсовой устойчивости, позволяющие оптимизировать в зависимости от траектории движения автомобиля распределение крутящего момента.

Как работает дифференциал — видео:

На этом всё, теперь вы знаете устройство дифференциала.

Дифференциал – это устройство, которое управляет распределением вращательного момента от входного вала к выходным, при этом скорость каждого отдельного элемента может отличаться. Механизм широко применяется в автомобильной индустрии.

Дифференциалы различаются согласно месту установки, предназначению и особенностям конструкции:

1. В автомобилях с приводом на одну ось используется лишь один дифференциал, называемый межколесным. Его необходимость вызвана тем, что внешние и внутренние колеса проходят разное расстояние при повороте транспорта.
2. Автомобили с приводами 6×6 или 8×8 содержат в конструкции дополнительный межтележечный дифференциал.
3. В полноприводных же моделях устанавливается целых три дифференциала: два межколесных и один межосевой.

О том, как работает межосевой дифференциал, и какие межосевые дифференциалы вообще могут быть мы поговорим более подробно далее.

Предназначение межосевого дифференциала

Межосевой дифференциал предназначен для распределения крутящего момента между ведущими осями автомобиля и дает им возможность вращаться с разными угловыми скоростями. Такая потребность вызвана простым условием движения транспорта по неровным поверхностям, когда собственная масса конструкции давит на ось, находящуюся в более низком положении. Так, при езде под горку значительная часть момента подается на задние колеса. И, наоборот, в случае спуска.

Устройство межосевого дифференциала устанавливается, как правило, в раздаточной коробке автомобиля. Межосевой дифференциал может быть симметричным и несимметричным. Первый распределяет крутящий момент между осями поровну, а второй – в определенном соотношении.

Кроме того, существует межосевой дифференциал без механизма блокировки, который позволяет осям вращаться с различной скоростью, а также дифференциал самоблокируемый либо с механизмом ручной блокировки, который принудительно распределяет вращающий момент между приводными полуосями в зависимости от дорожных условий. При этом принудительная блокировка межосевого дифференциала подразумевает полное или частичное выключение дифференциала, обеспечивающее жесткое соединение передней и задней полуосей между собой.

Чаще всего для полной реализации полноприводных возможностей автомобиля применяется самоблокируемый дифференциал, который может иметь три вида конструкций и разные принципы работы соответственно.

Конструкции и принцип работы самоблокирующегося межосевого дифференциала

Итак, существует три вида самоблокирующегося межосевого дифференциала:

• вязкостная муфта;
• блокировка типа Torsen;
• фрикционная муфта.

Межосевой дифференциал с вискомуфтой

Схема межосевого дифференциала с вискомуфтой представляет собой планетарную симметричную схему на конических шестернях. Данная конструкция предполагает наличие управляющего элемента вязкостной муфты, которая состоит из следующих элементов:

1. корпус;
2. вал корпуса;
3. ведущий вал;
4. ведомый вал;
5. диски;
6. боковая шестерня;
7. уплотнения.

Муфта в своей конструкции имеет герметично закрытую полость, наполненную воздушно-силиконовой масляной смесью. Полость кинетически связана с двумя пакетами дисков, которые соединены с обеими полуосями.

Принцип работы:

При прямолинейном движении по ровной поверхности и с постоянной скоростью межосевой дифференциал передает крутящий момент двигателя на переднюю и заднюю ведущую ось в соотношении 50 на 50. В случае если один из пакетов дисков начинает вращаться быстрее другого, то в герметической полости муфты повышается давление, и она начинает механически тормозить (т.е. блокировать) этот пакет, тем самым уравнивая угловые скорости вращения.

Следующие примеры могут легко объяснить, зачем нужен межосевой дифференциал с вязкостной муфтой:

• В случае выезда транспортного средства на скользкую поверхность, что приводит к сильной пробуксовке передних колес, из-за значительно повышается давления в муфте. Как следствие, на задние колеса подается гораздо больший крутящий момент.
• Распределение момента в пользу переднего привода происходит в случае резкого разгона автомобиля на скользкой поверхности. В такой ситуации происходит смещение центра тяжести вперед, и передняя ось становится ведущей.

Широкое распространение конструкция с вискомуфтой получила благодаря простоте конструкции и ее дешевизне. К недочетам можно отнести отсутствие функции ручной блокировки, возможность перегрева при долговременной работе, неполное автоматическое блокирование, преобразование значительной части кинетической энергии в тепловую.

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.

Межосевой дифференциал с фрикционной муфтой

Блокировка на базе фрикционной муфты серьезно превосходит описанные выше конструкции, потому что имеется возможность и автоматической, и ручной блокировки дифференциала. Конструктивно она очень схожа с вискомуфтой и отличается лишь основными рабочими элементами.

1. корпус;
2. вал корпуса;
3. ведущий вал;
4. ведомый вал;
5. фрикционные диски;
6. уплотнения.

Принцип работы:

Принцип работы межосевого дифференциала такого рода достаточно прост. При однообразном плавном движении угловые скорости распределяются между осями поровну. Если одна из полуосей начинает вращаться с увеличенной скоростью, фрикционные диски сближаются и притормаживают ее за счет сил трения.

Однако из-за сложности конструкции и особенностей обслуживания фрикционные дифференциалы не используются производителями серийных автомобилей, несмотря на свои очевидные преимущества. Кроме того, ощутимый минус такой системы – быстрый износ рабочих элементов, а значит малый ресурс ее работы.

Система блокировки Haldex

Но стоит сказать, что на базе конструкции межосевого дифференциала с фрикционной муфтой еще в 1998 году шведским заводом Haldex была выпущена собственная альтернативная система. Она основывалась на работе электрогидравлической связки элементов. Та старая версия системы была скорей провальной, чем удачной, но породило несколько модификаций, последняя из которых стала довольно востребованной.

Haldex 4 поколения, вышедший в 2007 году стал настоящим прорывом. Основными рабочими плоскостями системы являются фрикционные диски. Через них крутящий момент от двигателя передается на полуоси. Одним из новшеств стал полный отказ производителя от использования в качестве рабочего привода гидравлического насоса. Ему на смену пришел мощный полностью электрический насос.

А вот самым интересным изменением стало превращение системы в полностью электронную. Так, включение муфты и блокировка полуосей больше не зависит от скорости вращение отдельного колеса. Управление работой системы ведется через электронный блок управления, который получает всю необходимую информацию от датчиков движения. Кроме того, одним из главных сигналов включения муфты в работу является нажатие педали газа. Ускорения почти всегда сопровождается определенной пробуксовкой, поэтому блокировка как нельзя кстати.

Haldex 4 многими называется самой современной системой для автомобилей с подключаемым полным приводом. Особенно часто Haldex устанавливают на современные внедорожники с межосевым дифференциалом азиатского производства. Ее главными преимуществами являются простота конструкции, надежность и работа на протяжении всего времени езды. А вот главный недостаток – невозможность переноса более 50% мощности на заднюю ось вращения.