Сто з гаком років тому вперше знайшов застосування на транспорті механізм, званий диференціалом. Француз Л. Боллє оснастив їм в 1878 році свій паровий автомобіль «Манселлом», а роком пізніше англієць Д. Старлей застосував диференціал для триколісного велосипеда. Надалі цей механізм став невід'ємною приналежністю автомобіля.

Рис 1. - Конічний диференціал автомобіля ГАЗ-51: 1 - ведена шестерня; 2, 7 - коробка диференціала; 3, 6 - напівосьові шестерні; 4 - сателіти; 5 - хрестовина (вісь) сателітів.

Провідні колеса проходять при русі на повороті або по нерівній дорозі різні відстані. Якщо обидва колеса отримують від двигуна обертання з однаковою швидкістю, то одне з них в таких умовах неодмінно буде прослизати. Встановлений між колесами диференціал дозволяє їм робити різну кількість оборотів. Він може мати або конічні шестерні (рис. 1), як у більшої частини автомобілів, або циліндричні (рис. 2). Працюють обидва однаково.

На повороті внутрішнє колесо і пов'язана з ним через піввісь диференціальна шестерня 3 проходять менший шлях і обертаються повільніше. У свою чергу, сателіти 4 перекочуються по уповільнити обертання шестірні 3 і обертаються навколо своїх осей. При цьому вони повідомляють додаткову швидкість обертання інший диференціальної шестірні 6 і зовнішньому колесу. Робота диференціала характеризується двома властивостями, що визначають його переваги і недоліки.

Рис 2. - Циліндричний диференціал (позиції ті ж, що і на рис. 1).

Перше властивість таке, що сума оборотів диференціальних шестерень (і пов'язаних з ними піввісь) дорівнює подвоєному числу оборотів диференціальної коробки (або, іншими словами, відомої шестерні головної передачі). Це означає, що, коли одне колесо нерухомо, інше починає обертатися вдвічі швидше. А якщо зупинити машину трансмісійним гальмом, тобто повідомити диференціальної коробці нульове число оборотів, півосі (отже, і колеса) будуть обертатися з однаковою швидкістю в різні боки. Цим властивістю користуються досвідчені водії легкових автомобілів, щоб розгорнути машину на місці, не вдаючись до допомоги керма.

Друге властивість - розподіл між диференціальними шестернями (півосями) надходить до них крутного моменту в заданому співвідношенні. У більшій частині конструкцій він розподіляється порівну, і подібні диференціали називають симетричними. Співвідношення роблять і іншим - пропорційним навантаженні на колеса. В цьому випадку диференціал називають несиметричним. Такий механізм можна зустріти на важкому мотоциклі «Дніпро-12» з ведучим колесом коляски (співвідношення 63 і 37%).

Повернемося до добре знайомого всім автомобілістам симетричного диференціалу заднього ведучого моста. В силу другого властивості, коли одне з коліс машини буксує і через відсутність зчеплення з ґрунтом не передає крутного моменту, механізм невблаганно повідомляє іншому колесу такий же, тобто нульовий момент. При цьому вільний від навантаження колесо, що буксує швидко набирає обертів, а колесо, що знаходиться на твердому грунті, відповідно до першого властивістю механізму зменшує свою швидкість обертання і врешті-решт зупиняється.

Як бачимо, друга властивість диференціала обумовлює великий недолік, який обмежує прохідність автомобіля. Для його усунення застосовується блокування дії диференціала в момент початку буксування колеса.

Рис 3. - Механізм блокування міжосьового диференціала автомобіля ВАЗ-2121: 1 - ведений вал, пов'язаний з відомою шестернею диференціала; 2 - рухома зубчаста муфта; 3 - коробка диференціала; 4 - зубчастий вінець веденого вала.

Ручна блокування (рис. 3) здійснюється кулачковою або зубчастої муфтою 2, яка з'єднує коробку 3 диференціала і одну з диференціальних шестерень і пов'язану з нею піввісь 1. Однак, яким би не був привід блокуючого пристрою (механічний пневматичний, електричний), момент включення його визначається досвідом і кваліфікацією водія, який повинен вчасно відчути початок буксування. Часом після подолання важкої ділянки він забуває або запізнюється вимкнути блокування. Звідси підвищені знос шин, витрата палива, додаткові навантаження на деталі трансмісії.

Складніше і дорожче автоматичні пристрої, що блокують, але за останній час вони отримують все більш широке поширення. Серед десятків конструкцій найбільш відомі два типи самоблокирующихся механізмів - кулачковий і фрикційний.

Рис 4. - Самоблокується кулачковий диференціал автомобіля ГАЗ-66: 1 - ведена шестерня; 2 - коробка диференціала; 3 - шліцьова обойма правої півосі; 4 - сухарик; 5 - шліцьова обойма лівої півосі; 6 - кришка коробки диференціала.

У кулачковому диференціалом (рис. 4) два ряди сухариків 4 знаходяться в сепараторі, який пов'язаний з кришкою коробки диференціала. Розміщення між обоймами 3 і 5, кожна з яких за допомогою шліців з'єднана зі своєю полуосью ведучого моста, сухарики можуть переміщатися в вікнах сепаратора під дією кулачків на обіймах 3 і 5.

Під час прямолінійного руху машини крутний момент передається через провідну шестерню 1 на кришку 6 коробки диференціала і пов'язаний з нею сепаратор, далі - на сухарики 4. Сухарики застряють (перетин А-А на рис. 4) між кулачками обойм 3 і 5 і передають на них і, отже, на півосі крутний момент.

Як тільки одне з коліс (тобто одна з піввісь і обойм 3 і 5) почне пробуксовувати або «забігати» на повороті, відповідна обойма повертається щодо іншої так (перетин Б-Б), що сухарики 4 вільно, без заклинювання розташовуються між їх кулачками . Крутний момент не передається, і обидві обойми (значить і обидва колеса) можуть повертатися незалежно одна від одної. В наступний момент взаємне розташування обойм змінюється, і сухарики застряють між ними, знову передаючи крутний момент. У цій конструкції на поворотах і при буксовании відбуваються поперемінно пульсуюча передача крутного моменту і взаємне проворачивание коліс. Такий механізм нерідко можна зустріти на автомобілях підвищеної прохідності.

Рис 5. - Самоблокується фрикційний диференціал «Дана»: 1 - фланець на коробці диференціала для кріплення веденої шестерні; 2, 7 - шкворни хрестовини; 3 - фрикціон; 4 - коробка диференціала; 5 - обойма фрикциона; 6 - шестерні піввісь; 8 - вісь пальців хрестовин.

Фрикційні самоблокувалися диференціали (рис. 5), більшу частину яких випускає фірма «Дана» (США), працюють на іншому принципі. При русі по прямій вони функціонують як звичайні диференціали з конічними шестернями. Як тільки на повороті або на початку пробуксовки одне з коліс і пов'язана з ними шестерні піввісь 6 починають провертатися щодо іншого колеса і шестерні, при обертанні сателітів диференціала виникають спрямовані в протилежні сторони зусилля. Оскільки хрестовина диференціала «Дана» складається з двох незалежних шворнів 2 і 7, то під дією цих зусиль кінці шворнів, переміщаючись в фігурних пазах коробки 1 диференціала, відсуваються один від іншого. При цьому через сателіти і ковзаючі на шліцах напівосьові шестерні 5 вони стискають пакет фрикційних дисків 3. Кожен з двох пакетів виконує роль блокувальною гальмівний муфти, яка пригальмовує шестерні піввісь щодо коробки диференціала тим більше, чим вище осьове зусилля, створюване шкворнями. А воно, в свою чергу, пропорційно ступеня взаємного повороту напівосьових шестерень, тобто коліс.

Такі самоблокувалися диференціали, щодо складні і дорогі, застосовують на легкових машинах, а також на гоночних і ралійних автомобілях.

Рис 6. - Міжколісний симетричний конічний Неблокована диференціал автомобіля «Руссо-Балт-С24-30» 1911 року. Принципово конструкція вузла за 70 років не зазнала змін: 1 - ведена конічна шестерня; 2 - сателіт; 3 - диференціальна шестерня; 4 - хрестовина; 5 - коробка диференціала; 6 - піввісь.

Всі ці різноманітні диференціали, конічні і циліндричні, симетричні і несиметричні, блокуються і Неблокована, можуть бути використані на автомобілях в якості і міжколісних і міжосьових. Поки мова у нас йшла про межколесних, які застосовуються дуже давно, і їх базова конструкція (рис. 6) за останні 70 років мало змінилася. Поширення позашляхових автомобілів з усіма провідними колесами, тривісних вантажівок з колісною формулою 6X4 втілило в життя в 30-і роки так звані міжосьові диференціали, встановлювані в роздавальної коробці або в одному з провідних мостів.

Для чого потрібен міжосьовий диференціал? На легковому автомобілі підвищеної прохідності (ВАЗ-2121), трехосном вантажівці з колісною формулою 6X4 (ЗІЛ-133Г1, КамАЗ-5320 ), Трехосном позашляховому вантажівці з усіма провідними колесами ( ЗІЛ-131 , «Урал-375Д» , «Урал-4320» ) Провідні мости можуть працювати в різних по зчепленню коліс з дорогою умовах, перекочуватися через нерівності, проходячи в один і той же момент різний по довжині шлях. Це означає, що можливі обертання коліс одного ведучого моста щодо коліс іншого і їх пробуксовка. Отже, в трансмісію таких машин необхідно включати диференціал між провідними мостами так само, як і між провідними колесами, і з тих же причин передбачити пристрій для їх блокування.

Рис 7. - Міжосьовий несиметричний циліндричний блокується диференціал лісовозного автомобіля МАЗ-501: 1 - вал приводу переднього моста; 2 - шліцьова муфта блокування; 3 - шліцьовій хвостовик коробки диференціала; 4 - диференціальна шестерня приводу переднього моста; 5 - ведена шестерня, об'єднана з коробкою диференціала; 6 - диференціальна шестерня приводу заднього моста; 7 - вал приводу заднього моста; 8 - сателіт.

Для чотиривісного позашляхового автомобіля можуть знадобитися сім диференціалів (чотири межколесних, два між парами ведучих мостів і один центральний) з пристроями для їх блокування. Це ускладнює конструкцію, і, природно, нерідко виникає компромісне рішення. На двох-і тривісних машинах в більшості випадків застосовується один міжосьовий диференціал. У ВАЗ-2121 (див. Рис. 3), ЗІЛ-133Г1, КамАЗ-5320 він симетричний. Що ж стосується таких машин, як двовісні лісовози МАЗ-501 і МАЗ-509, то у них навантаження на задню провідну вісь при буксируванні стовбурів дерев вдвічі більше, ніж на передню. Тому міжосьовий несиметричний диференціал (рис. 7) ділить між мостами крутний момент в співвідношенні 2: 1.

Звернемося до пристрою міжосьових диференціалів ЗІЛ-133Г1 (рис. 8) і КамАЗ-5320 (Рис. 9). Різні за конструктивним виконанням, вони однакові по принциповому рішенню. У обох машин ведучими є два задніх мости, об'єднаних в візок. Від коробки передач крутний момент надходить до середнього ведучого мосту, в який вмонтований симетричний блокується конічний міжосьовий диференціал. В обох випадках для блокування служить зубчаста муфта 8.

У ЗІЛ-133Г1 (див. Рис. 8) і ЗІЛ-133ГЯ крутний момент надходить через провідний вал 9 і сидить на його шліцах хрестовину на коробку 4 міжосьового диференціала. Сателіти 2 розподіляють крутний момент порівну між диференціальними шестернями 1 і 5. Від першої обертання передається на циліндричний редуктор середнього моста і потім до конічних шестерень головної передачі. Від другої - через шлицевое зчленування на вал приводу заднього моста, який має свій циліндричний редуктор і головну передачу з конічними шестернями. При зміщенні муфти 8 вправо диференціальна шестерня 1 зубчастим вінцем жорстко з'єднується через провідний вал 9 і хрестовину 3 з диференціальної коробкою 4.

Рис 8. - Міжосьовий симетричний блокується конічний диференціал автомобіля ЗІЛ-133ГЯ: 1 - диференціальна шестерня приводу середнього ведучого моста; 2 - сателіт; 3 - хрестовина; 4 - коробка диференціала; 5 - диференціальна шестерня приводу заднього ведучого моста; 6 - вал приводу заднього ведучого моста; 7 - провідна конічна шестерня головної передачі середнього моста; 8 - муфта блокування; 9 - провідний вал приводу середнього та заднього мостів.

на КамАЗ-5320 , КамАЗ-5410 і КамАЗ-5511 (див. Рис. 9) від коробки передач крутний момент надходить на провідний вал 9 (що становить одне ціле з передньої половиною коробки 4 міжосьового диференціала), далі через хрестовину 3 і сателіти 2 він розподіляється між диференціальними шестернями 1 і 5. Перша з них з'єднана шлицами з хвостовиком провідної конічної шестерні в головній передачі середнього ведучого моста. До міжколісним диференціалу і полуосям обертання передається від головної передачі через циліндричний редуктор. На задній же ведучий міст обертання від шестерні 5 передається пов'язаним з нею шліцами валом 6.

Блокується міжосьовий диференціал зміщенням вліво зубчастої муфти 8. надвігамі на зубчастий вінець коробки 4 диференціала, муфта замикає її з диференціальної шестернею 1 і передає крутний момент на задній ведучий міст, минаючи міжосьовий диференціал.

Застосування міжосьового диференціала дозволяє поліпшити умови роботи провідних мостів, зменшити знос покришок, забезпечити більш високі тягові якості на слизьких дорогах, підвищити прохідність по грунту. Включати механізм його блокування на вантажівках слід, тільки коли автомобіль зупинений або рухається з малою швидкістю. Вимикати ж можна на ходу. На легкових машинах блокувати диференціал можна на будь-якій швидкості.

Рис 9. - Міжосьовий симетричний блокується конічний диференціал автомобіля КамАЗ-5320 (позиції ті ж, що і на рис. 8).

Диференціальний механізм, як уже було сказано, давно відома конструкція. І тим не менш вірно служить донині, і з десятків тисяч запатентованих винаходів і авторських свідоцтв на механізми подібного призначення, що з'явилися з тих пір, лише деякі витримують випробування на практиці. Черв'ячні диференціали, що самоблокуються, обгонні роликові муфти і інші пристрої на деякий час отримували певне поширення, але швидко ставали надбанням історії. Зовсім недавно побачила світ чергова новинка - «гідравлічний диференціал». Його встановлюють на американських легкових автомобілях «Ігл» з обома провідними мостами в роздавальної коробці, де він грає роль самоблокується міжосьового диференціала. Це - гідромуфта, що з'єднує два ведених елемента - карданні вали ведучих мостів. Муфта заповнена синтетичної рідиною, рецепт якої тримається в секреті. Фізичні властивості рідини такі, що при відносному прослизанні половин гідромуфти в'язкість її починає пропорційно збільшуватися до тих пір, поки цей склад не загусне настільки, що блокує пробуксовку половин муфти. На жаль, поки немає достовірних даних про поведінку рідини при значних перепадах температур, її здатності просочуватися через сальники, вартості. Тому при всій принадності застосування «гідравлічного диференціала» передчасно робити багатообіцяючі висновки.

А. ЗУБАРЕВ, інженер ( «За кермом» №10, 1981)

література

В. І. Анохін. Вітчизняні автомобілі. 4-е видання. М., «Машинобудування», 1977, стор. 359-362, 381-383, 393-395, 403-415.
Д. Б. Бутенко. Важкі мотоцикли. Пристрій і експлуатація. М., Воениздат, 1976, стор. 117-122, 252.
І. В. Грінченко, Р. А. Розов та ін. Колісні автомобілі високої прохідності. М., «Машинобудування», 1967, стор. 95-102.
Н. Н. Коротоношко. Автомобілі високої прохідності. М., Машгиз, 1957, стор. 87-116.
А. С. Литвинов, Р. В. Ротенберг, А. К. Фрумкін. Шасі автомобіля. М., Машгиз, 1963, стор. 170-178, 230-257.
Ю. Мацкерле. Автомобіль сьогодні і завтра (переклад з чеського). М., «Машинобудування», 1980, стор. 65-67, 333-337.
І. І. Селіванов. Автомобілі та транспортні гусеничні машини високої прохідності. М., «Наука», 1967, стор. 33-40, 45-56.