Главная передача и дифференциал. Как привести колеса в движение

Главная передача – это набор шестерен (обычно две, но на некоторых машинах может быть и не одна пара). Ее задачи – увеличение крутящего момента, получаемого на выходе из коробки переключения передач и изменение направления вращения, которое удобнее назвать поворотом вращения (он требуется, когда двигатель и ведущая ось расположены не параллельно, а под углом в 900, как это сделано в автомобилях с продольным расположением силового агрегата). Основные требования к главной передаче – низкий шум работы шестерен, а также наличие запаса прочности и жесткости при минимальных размерах и массе.

Наиболее проста в изготовлении и обслуживании цилиндрическая главная передача. Она применяется, когда не требуется изменения направления вращения (обычно она используется на переднеприводных автомобилях с поперечным расположением двигателя). Цилиндрическая главная передача представляет из себя пару шестерен, нарезанных на цилиндрических поверхностях. При этом зубья ведущей шестерни, передавая усилие, не трутся об зубья ведомой, а «катаются» друг по другу/ поскольку профили зубьев шестерен не прямоугольные, а эвольвентные, то есть, округлые и они напоминают синусоиды. Таким образом, в цилиндрических главных передачах трение скольжения заменяется щадящим механизмы трением качения, которое отбирает гораздо меньше мощности. Зубья ведущей и ведомой шестерен нарезаны не перпендикулярно оси вращения, а под углом к ней, то есть, шестерни в цилиндрической главной паре косозубые, а значит, они гораздо надежнее простых прямозубых.

Если кроме увеличения крутящего момента требуется еще и поворот вращения, обычно используют гипоидные главные передачи, в которых ведущая и ведомая шестерни расположены перпендикулярно друг к другу, а зубья нарезаются на поверхностях, имеющих форму гиперболоидов вращения. Гипоидные главные передачи несколько десятков лет назад вытеснили из легкового автомобилестроения конические узлы, имеющие массу недостатков, и постепенно вытесняют эти надежные элементы из автомобилестроения грузового (у гипоидных главных передач есть три существенных недостатка: во первых, они требуют дорогостоящих конических подшипников, во-вторых, при ремонте очень сложно добиться точности работы, и в третьих, они нуждаются в дорогостоящем противозадирном масле – если в редуктор гипоидной главной передачи не залить специальное масло, при включении задней передачи шестерни работают в «опасном» для себя режиме).

Если на автомобиле установлена гипоидная главная передача, она обычно одинарная, то есть, представляющая собой пару шестерен. А вот цилиндрические главные передачи нередко делают двойными – эти узлы изменяют крутящий момент в два этапа. Ведомая шестерня первой пары приводит в движение находящуюся с ней на одном валу ведущую шестерню второй пары, которая вращает свою ведомую деталь, непосредственно работающую с дифференциалом (об этом механизме – далее). Не следует путать двойные главные передачи с двухступенчатыми.

Вот и упомянут дифференциал – узел, который, получая вращение, преобразованное главной передачей, распределяет его между колесами. Зачем это нужно? Рассмотрим пример езды без него: заставим автомобиль поворачивать так, чтобы колеса отклонялись от прямолинейного движения одинаково, при этом они будут получать и одинаковое вращение. Известно, что колесо, находящееся на внутреннем радиусе поворота, проходит меньший путь, чем колесо, идущее по внешней (то есть, большей) траектории. Если же колеса получают одинаковое вращение, они вынуждены проходить одинаковое расстояние. Для переднеприводной машины это означает невозможность повернуть – съезжать с прямой придется «рывками» рулевого колеса. Если же ведущая ось задняя, колесо с внутренней стороны поворота будет пробуксовывать, ухудшая управляемость и приводя к ускоренному износу протектора. А дифференциал служит именно для получения разных угловых скоростей на ведущих колесах.

Межколесные дифференциалы называются симметричными, так как всегда распределяют крутящий момент поровну (при прямолинейном движении). Из чего же состоит дифференциал? Классический узел (то есть, не оснащенный блокировками) получает крутящий момент от ведомой шестерни главной передачи, и его конические шестерни (сателлиты) передают вращение шестерням полуосей. Когда автомобиль движется по прямой, сателлиты дифференциала не вращаются, а в случае начала поворота они приходят во вращение и перераспределяют крутящий момент. Но мы назвали такой дифференциал классическим и сказали о полуосях. Полуоси вращают ведущие колеса в том случае, когда подвеска зависимая, а при наличии независимой подвески полуоси заменяют карданными шарнирами равных угловых скоростей (ШРУС). А кроме конических, массово также применяют цилиндрические и планетарные дифференциалы. Последние используют только в качестве межосевых, а цилиндрические изделия могут быть и межколесными.

Теперь о блокировках дифференциала – какой она бывает и почему без нее можно забуксовать даже на самом небольшом обледеневшем участке. Дифференциал работает так, что если одно из колес неподвижно, то второе вращается с частотой, вдвое большей, чем должно быть. Если одно из двух ведущих колес попадает на скользкий участок дороги (мокрый асфальт, лед, небольшая масляная лужа на автостоянке), сопротивление его вращению резко падает, уменьшается и сцепление с дорогой, а значит, колесо не в состоянии иметь необходимую силу тяги. Такое колесо начнет быстрее вращаться и пробуксовывать, в то время, как другое ведущее колесо, имеющее достаточное сцепление с дорогой, будет вращаться медленнее, потому что дифференциал передаст ему меньшую часть крутящего момента от главной передачи. Если сопротивление движению автомобиля превысит силу тяги у небуксующего колеса, то машина не сможет двигаться. Частота вращения буксующего колеса резко возрастет, а второе колесо остановится. Возникнет буксование автомобиля. Попытка водителя повысить силу тяги на колесах за счет увеличения подачи топлива приведет только к увеличению частоты вращения одного из колес. В этом и состоит основной недостаток дифференциалов без блокировок. Как же можно решить проблему? Повышенное внутреннее трение лежит в основе принципа действия самоблокирующихся дифференциалов. Простой конический дифференциал легко превратить в самоблокирующийся с помощью комплекта фрикционных шайб. Если же вместо шайб использовать электромагнитную фрикционную муфту, можно получить принудительную блокировку. Смысл блокировки сводится к жесткому соединению одной из полуосевых шестерен с корпусом дифференциала. Именно блокировка позволяет передать крутящий момент колесу, находящемуся на твердой поверхности.

Принудительные блокировки – удел серьезных внедорожников. Но водителям таких машин не стоит забывать о выключении блокировки после преодоления тяжелого участка пути – срок службы покрышек при долговременной езде с заблокированным дифференциалом резко сокращается, а самое главное – это возрастание нагрузки на ведущие оси и рулевое управление.

Так в общих чертах выглядит конструкция и принцип работы главной передачи и дифференциала. Об остальных деталях и механизмах автомобиля – тех, которые мы еще не рассматривали, в следующих номерах журнала AG.