Свободный дифференциал: Как работают разные типы дифференциалов

Содержание

Как работают разные типы дифференциалов

Что необходимо знать о дифференциалах и об их различиях в работе.

Прежде чем приступить к рассмотрению дифференциалов, их типов и нюансах работы, сначала мы с вами обратимся к теории. Для чего вообще нужен дифференциал на современных автомобилях и какой принцип его работы?

Дифференциал, как говорит теория, это механическое устройство с особым видом планетарной зубчатой передачи, разделяющий момент входного вала (в нашем случае карданного вала) между выходными валами (полуосями) автомобиля, передающий, момент силы с карданного вала на задние полуоси в заднеприводном варианте или непосредственно от двигателя сразу на полуоси в переднеприводном автомобиле так (дифференциал в FWD расположен в КПП), что угловые скорости вращения этих полуосей могут быть разными по отношению друг к другу и колеса автомобиля проходят разный путь (например в повороте). Опять же, все из теории, во время прохождения поворота колеса автомобиля проходят по различным траекториям, а именно, по внутренней и внешней, отсюда соответственно получается, что колесо вращающееся по внешнему радиусу проделывает (пробегает) больший путь чем то колесо, которое вращается по внутреннему радиусу, а значит, что и скорость такого вращения колес будет разная, т. е. скорость колеса вращающегося (пробегающего) по внутреннему радиусу должна быть меньше той скорости колеса, которое вращается по внешнему радиусу.

Смотрите также: Что нужно знать прежде чем ездить по бездорожью

В этом как-раз непосредственно и заключается главная задача дифференциала, т.е. правильно распределять скорости вращения валов на выходе и соответственно самих колес.

Предназначение дифференциала автомобилей:

— позволяет ведущим колёсам вращаться с разными угловыми скоростями;

— неразрывно передаёт крутящий момент от двигателя на ведущие колёса.

Основная проблема, появившаяся на заре автомобильной эры, была решена с помощью применения дифференциала, теперь повороты машине можно проходить более безопасно и без пробуксовки колес, а отсюда соответственно и без чрезмерной нагрузки на трансмиссию, на шины и на сами подшипники колес. Но зато появилось другое неудобство.

Простейший дифференциал имеет одну яркую «особенность», благодаря которой он категорически не подходит для сложных, экстремальных дорожных ситуаций.

Когда у ведущих колес 100% сцепление с дорогой, то все будет идти хорошо и дифференциал будет исполнять свою функцию просто идеально, но стоит одному из колес попасть в ситуацию когда оно (шина) потеряет сцепление с дорогой, или попадет на другой тип грунта или на лед, то начнет вращаться именно то колесо, которое потеряло сцепление, а противоположенное стоящее на более цепком грунте просто останется неподвижным.

Смотрите также: Избыточная поворачиваемость и недостаточная поворачиваемость

Не вдаваясь в сами нюансы работы механизма можно просто констатировать факт, что дифференциал не меняет свой крутящий момент, он просто перераспределяет мощность между колесами и такая мощность будет всегда больше на том именно колесе, которое вращается быстрее. При пробуксовке колеса сопротивление его и крутящего момента будет минимальным, а значит чрезвычайно малым будет и крутящий момент передающийся с самого двигателя непосредственно на колесо, а значит и на противоположенном колесе этот крутящий момент будет ему соответствовать, то есть он будет минимальным.

Особенно видны и очень заметны недостатки этого классического дифференциала на спортивных автомобилях с большой мощностью, а также и на полноприводных машинах, которые рассчитаны на езду по бездорожью.

В этой связи инженеры и автопроизводители большинства автокомпаний начали искать новое решение с этой проблемой. Появилось большое количество (различных видов устройств) дифференциалов. Основные виды таковых нам и хотелось бы освятить в данной статье. А также нам хотелось бы рассказать своим читателям и об основных преимуществах и конкретных недостатках тех или иных видов этих устройств, и еще, на каких современных автомобилях можно сегодня встретить тот или иной тип дифференциалов.

Свободный дифференциал (Open Differential).

Суть его работы.

Разделяет крутящий момент двигателя на две оси, каждая из которых способна вращаться с различной скоростью.

Недостатки.

При потери сцепления колеса с дорогой крутящий момент на противоположном колесе тоже снижается (падает). В худшем варианте, у застрявшего автомобиля одно колесо будет свободно вращается, в то время, как противоположенное с лучшим сцеплением не сможет просто передать поверхности (дороге) достаточно крутящего момента, чтобы сдвинуть автомобиль с места.

Современные системы управления тягой компенсируют это, путем применения тормозов к потерявшему сцепление колесу. Но данный подход к проблеме помогает лишь отчасти, более сложный дифференциал, как правило действует быстрее и он более эффективен, чем тот же стандартный тип такого механизма.

На каких автомобилях его можно обнаружить.

Устанавливается на большинство автомобилей у которых «отсутствуют претензии» на нехватку большой мощности (они достаточно мощные), или у которых «отсутствуют амбиции» к любому бездорожью (внедорожники), а также на семейные седаны, на кроссоверы, на мини-вэны, на малолитражные машины, и т. д.

Блокируемый дифференциал (Locking Differential).

Как он работает.

При заблокированном дифференциале колеса машины будут постоянно вращаться с равными скоростями. В песке, в грязи и на снегу заблокированный дифференциал гарантирует, что крутящий момент продолжит поступать на колеса с более высокой тягой.

Недостатки.

В незаблокированном виде данный механизм ведет себя точно также, как и свободный дифференциал. Блокировка дифференциала на поверхности с высоким уровнем сцепных свойств, как например, на том же сухом асфальте, затрудняет поворачиваемость автомобиля и может нанести серьезный вред автомобильной трансмиссии.

На каких автомобилях его можно обнаружить.

Jeep Wrangler, Mercedes-Benz G-класса, Ram 2500 Power Wagon; опционально его можно поставить на большинство полноразмерных джипов и пикапов.

Самоблокирующийся дифференциал (Limited-slip Differential).

Дифференциал повышенного трения.

Как он работает.

Самоблокирующийся дифференциал совмещает в себе две концепции,- свободную и блокируемую системы дифференциалов. Он способен функционировать большую часть времени как обычный дифференциал, а в нужный момент автоматически блокироваться, т.е. в тот момент, когда происходит проскальзывание одного из колес. Блокировка достигается за счет вязкостной муфты, или фрикционной муфты, или за счет сложной системы гидророторного типа. В военных автомобилях ставятся зубчатые или кулачковые самоблокирующиеся дифференциалы.

Недостатки.

Чисто механические дифференциалы повышенного трения являются реактивными. То есть, они не блокируются пока не произошла пробуксовка колеса.

На каких автомобилях его можно обнаружить.

Nissan 370Z со Sport пакетом (с вискомуфтой), Mazda MX-5 Miata (clutch-type), Scion FR-S/Subaru BRZ (helical gears).

Самоблокирующийся дифференциал с электронным управлением (Electronically Controlled Limited-slip Differential).

Как он работает.

Преимущества такого электронного управления в том, что повышается тяга в повороте и степень блокировки дифференциала можно настроить.

Например, если компьютер автомобиля определяет, что в повороте у него (автомобиля) избыточная поворачиваемость, то он может сильнее заблокировать дифференциал для того чтобы стабилизировать автомобиль.

Недостатки.

Как и в обычном дифференциале ограниченного скольжения его крутящий момент смещен в сторону и колеса более медленно вращающегося.

На каких автомобилях его можно обнаружить.

BMW M3 и M4, Cadillac ATS-V и CTS-V, Chevrolet Corvette с пакетом Z51, Ferrari 488GTB.

Активный дифференциал (Torque-vectoring Differential).

Как он работает.

Использует дополнительные редуктора, которые подключаются по команде электроники. Электроника собирает информацию со всех датчиков, а именно, о скорости автомобиля, о скорости вращения колес, о включенной передаче, об угле поворота рулевого колеса и о множестве других параметров.

Способен дозированно отправлять крутящий момент к каждому из ведущих колес.

С активным дифференциалом автомобиль может проходить повороты на больших скоростях.

Недостатки.

Системы активного дифференциала тяжелые, достаточно сложные и очень дорогие, они увеличивают расход топлива автомобиля.

На каких автомобилях его можно обнаружить.

Audi S4, S5 и S6; BMW X5 M и X6 M; Lexus RC F.

Свободный (открытый) дифференциал

Дифференциал — механизм, распределяющий крутящий момент между двумя ведущими колесами или между двумя ведущими мостами.

Трансмиссия

Заглянув в справочник, мы увидим определение: «дифференциал – это механизм трансмиссии, который, распределяя крутящий момент между двумя ведомыми валами (колесами или мостами) в заданном соотношении, обеспечивает им вращение с разными угловыми скоростями». Так звучит стандартное описание этого механизма, которое понятно разве что дипломированному специалисту в области машиностроения, хотя, будучи еще студентом, он и так уже понял как работает этот механизм. Наша цель — понять как это работает и зачем эта штука присутствует в нашем автомобиле, не имея особых познаний в машиностроении, а руководствуясь лишь логикой и общеизвестными фактами. Итак, еще раз.

Дифференциал — это безусловно механическое устройство. И это устройство не требуется ни мотоциклу, ни велосипеду. Логично, что необходимость усложнить конструкцию возникла из-за возрастания количества колёс. Хотя, есть же 3х колёсные мотоциклы и велосипеды, скажут некоторые из вас. Вы правы. Так вот, в этой технике, либо есть эта штука, называемая дифференциалом, либо в движение они приводятся только одним из 3х колёс.

Вот мы, не используя ни единого термина, и пришли к понимаю основы, для чего используют дифференциал. А именно, для того, чтобы приводить в движение транспортное средство как минимум с помощь двух колёс.

Итак, для чего понятно. А почему? Почему нельзя соединить 2 колеса жесткой осью и крутить их за эту ось? Формально можно. Но это тема другой статьи про дрифт. Для нормального движения, чтобы шины автомобиля катились по дороге, а не скользили в поворотах необходимо, чтобы ведущие колёса вращались с разными скоростями. Да, знаю, звучит странно. Автомобиль то весь целиком едет вроде бы с одной скоростью, а совершенно одинаковые колёса слева и справа крутятся с разными скоростями. Чтобы, опять же, не прибегать к сложным терминам, рассмотрим простенький пример. Ваня, Вася и Маша ехали на машине. Кончился бензин. Мужчины вышли из машины и стали её толкать. Ваня встал слева, Вася справа. Маша повернула руль до упора влево, чтобы развернуться, так как заправку только что проехали. Считаем шаги Вани и Васи. Развернулись. Ваня сделал 10 шагов, а Вася — 15. Значит и все колёса в поворотах проходят разный путь. Следовательно и вращаются с разной скоростью. Не будем сейчас углубляться в подробности, чтобы разобраться почему это происходит, так как это уже дело механики, наше дело проще. Главное, уже поняли почему колёса обычно не соединяют жесткой осью.

Хотя, конечно, до 1897 дифференциалы на автомобили не ставили. Правда, при этом, если приводные колёса были соединены жесткой осью, автомобили очень неохотно поворачивали и их колёса очень быстро изнашивались. Известно, что конструкции разной степени сложности, выполняющие роль дифференциала существовали в мире еще до нашей эры, но общепризнанная сейчас механическая конструкция дифференциала появилась лишь в 1720 году, когда Джозеф Вильямсон использовал дифференциальный механизм в часах. Больше века потребовалось, чтобы ноу-хау дошло до автомобилей. В 1834 Ричард Робертс запатентовал дифференциал для дорожной техники. В 1897 году дифференциал был установлен на паровой автомобиль Ширера и решил эти проблемы с износом колёс и трудностью поворота.

Несмотря на то, что постепенно дифференциалы завоевали своё место практически во всех четырёхколёсных транспортных средствах, благодаря решению тех, несомненно, серьёзных проблем, достаточно быстро выяснилось, что этот самый дифференциал принёс в автомобиль новые проблемы. Если одно из колёс теряет сцепление с дорогой — автомобиль теряет способность разгоняться. Происходит это из-за того, что устройство дифференциала приводит в движение колёса по принципу, какое легче крутить, то и крутится. И хорошо работает этот механизм только тогда, когда оба колеса надёжно держатся за дорогу — работают в паре. Как известно на деле, особенно в России, надёжность сцепления шин с дорогой находится под большим вопросом. Вода, грязь, снег, лёд… Всё это злейшие враги классического принципа приведения в движение автомобиля с помощью простого дифференциала.

Конечно, благодаря инженерам и изобретателям, эти проблемы в настоящее время решены с тем или иным успехом. Основной принцип решения этой проблемы лежит на поверхности и после прочтения этой статьи наверняка уже известен читателям. Когда автомобиль едет прямо — дифференциал не нужен, его работу можно заблокировать, превратив его в обычную зубчатую передачу. Как только водитель повернул руль — блокировку необходимо снять, чтобы машина повернула легко, а износ шин был минимальным. Но кажущаяся простота принципа, на самом деле очень обманчива. На сегодняшний день существуют десятки систем, с тем или иным успехом выполняющих эти не хитрые действия, особенно в системах полного привода, где по-хорошему этих дифференциалов требуется не один и даже не два, а целых три штуки.

Изучение дифференциальных уравнений с помощью онлайн-курсов, занятий и уроков

Пройдите бесплатные онлайн-уроки по дифференциальным уравнениям от ведущих школ и институтов на edX уже сегодня!

Что такое дифференциальные уравнения?

Дифференциальные уравнения — это уравнения, учитывающие любую функцию с ее производными. Эти уравнения часто используются для описания того, как вещи меняются с течением времени, помогая нам делать прогнозы и учитывать как начальные условия, так и эволюцию переменных. Дифференциальные уравнения используются для описания всевозможных природных явлений, но иногда их трудно решить. В чистой математике мы изучаем дифференциальные уравнения с разных точек зрения, а для более сложных уравнений мы используем возможности компьютерной обработки для аппроксимации решения. Дифференциальные уравнения включают много типов: линейные уравнения против нелинейных уравнений, обыкновенные дифференциальные уравнения против уравнений в частных производных и, наконец, однородные уравнения против неоднородных уравнений. Общие решения или исследование зависят от расшифровки типа уравнения.

Узнайте о дифференциальных уравнениях

Дифференциальные уравнения играют важную роль в нашем понимании большинства областей науки. Изучение их функций может помочь в ваших исследованиях и поможет рассказать о сложных природных явлениях. Различные типы дифференциальных уравнений могут использоваться для описания различных скоростей изменений в динамических системах. Приближение этих скоростей изменений дает вам преимущество в открытии. EdX.org предлагает курсы, разработанные в сотрудничестве с лидерами в области математики и естественных наук, которые могут познакомить вас с этими сложными уравнениями, не выходя из дома или офиса.

Курсы и сертификаты по дифференциальным уравнениям

Массачусетский технологический институт предлагает вводный курс по дифференциальным уравнениям. Вы научитесь решать уравнения первого порядка, автономные уравнения и нелинейные дифференциальные уравнения. Вы будете применять эти знания, используя такие вещи, как волновые уравнения и другие численные методы. Вы можете расширить эти знания с помощью курса 2×2 Systems Массачусетского технологического института, предназначенного для введения связанных дифференциальных уравнений. Вы поймете, как решать скорости изменения с помощью дифференциальных уравнений первого порядка и линейных дифференциальных уравнений. Вы можете продолжить изучение всей серии X, изучая все более и более сложные уравнения, включая дифференциальные уравнения второго порядка и частные производные. Оттуда вы можете пройти практические курсы, предназначенные для интеграции использования дифференциальных уравнений в практические приложения. МИСиС предлагает курс «Комплексный анализ с физическими приложениями», призванный дать вам возможность исследовать мир сложных уравнений. Или вы можете применить эти знания к творческим занятиям, используя эти уравнения для CGI с Мичиганским университетом.

Постройте карьеру, зная дифференциальные уравнения

Понимание сложной природы роста и изменений является важной частью исследований и разработок во многих научных областях. Скорость изменений может быть сложно предсказать, но при правильном знании математики вы можете делать более точные прогнозы, используя язык математики более высокого порядка. EdX и партнеры могут помочь вам расшифровать этот сложный язык и обрести уверенность в своих навыках.

Практические тесты по дифференциальным уравнениям

Все ресурсы дифференциальных уравнений

1 Диагностический тест 29 практических тестов Вопрос дня Карточки Learn by Concept

Пройдите бесплатный диагностический тест Varsity Learning Tools для дифференциальных уравнений, чтобы определить, какой академический понятия, которые вы понимаете, и какие из них требуют вашего постоянного внимания. Каждая проблема дифференциальных уравнений помечена до ядра, лежащей в основе тестируемой концепции. Результаты диагностического теста «Дифференциальные уравнения» показывают, как вы справились с каждой областью теста. Затем вы можете использовать результаты для создания индивидуального плана обучения, основанного на вашей конкретной области потребностей.

Начинать Делиться Встроить

Вопросы : 10

Среднее затраченное время : 1 час 5 минут

Все ресурсы по дифференциальным уравнениям

1 Диагностический тест 29 практических тестов Вопрос дня Карточки Learn by Concept

Наши совершенно бесплатные практические тесты по дифференциальным уравнениям — идеальный способ освежить свои навыки. Брать один из наших многочисленных практических тестов по дифференциальным уравнениям для прогона часто задаваемых вопросов. Ты получите невероятно подробные результаты оценки в конце практического теста по дифференциальным уравнениям, чтобы помочь вам определить свои сильные и слабые стороны. Выберите один из наших практических тестов по дифференциальным уравнениям прямо сейчас и начать!