Дифференциа́л (от  — разность, различие) — механизм передачи мощности вращением, позволяющий без пробуксовок и потерь КПД складывать два независимых по своим угловым скоростям входящих потока мощности в один исходящий, раскладывать один входящий поток мощности на два взаимозависимых по своим угловым скоростям исходящих, а также работать в первом и втором вариантах попеременно. Основное назначение дифференциала в технике — применение в трансмиссии транспортных машин, в которых дифференциал разветвляет поток мощности от двигателя на два между колёсами, осями, гусеницами, воздушными и водными винтами. Прочее использование дифференциалов в технике вообще и в транспортной технике в частности является вторичным и нечастым. Механической основой дифференциала по умолчанию является планетарная передача как единственная из всех передач вращательного движения, имеющая две степени свободы.

Незаблокированный (свободный) дифференциал уравнивает крутящие моменты, передаваемые от двигателя к колёсам, при этом мощность, передаваемая к колёсам, будет отличаться при движении по дуге или при буксовании одного из колёс. Заблокированный дифференциал уравнивает угловые скорости колёс, при этом в случае буксовании крутящий момент на колёсах будет различным, мощность также будет различной. В случае межосевого дифференциала сказанное верно в отношении крутящего момента и угловых скоростей, распределяемых между передней и задней осями.

Назначение Применение дифференциалов в трансмиссиях автомобилей обусловлено необходимостью обеспечить вращение ведущих колёс одной оси с разной частотой. В первую очередь это необходимо в поворотах, но также и при разном диаметре ведущих колёс, что возможно при вынужденной установке шин двух разных типоразмеров или при разности давления в шинах. В случае, если оба колеса имеют жёсткую кинематическую связь, любое рассогласование частот вращения по вышеупомянутым причинам приводит к возникновению так называемой паразитной циркуляции мощности. Это безусловно вредное явление вызывает проскальзывание колеса с меньшей силой сцепления относительно поверхности дороги, дестабилизирует движение автомобиля по дуге, нагружает трансмиссию и двигатель, повышает расход топлива и проявляется тем сильнее, чем меньше радиус поворота и выше силы сцепления, действующие на колёса. Дифференциал, установленный в разрез валов привода колёс одной оси, позволяет разорвать жёсткую кинематическую связь между колёсами и устранить паразитную циркуляцию мощности, не потеряв при этом возможностей по передаче мощности на каждое колесо с КПД, близким к 100%. Подобный дифференциал называется «межколёсным», а данная область применения является основной для дифференциалов вообще, так как межколёсный дифференциал присутствует в приводе ведущих колёс всех легковых, грузовых и абсолютно подавляющей части внедорожных, спортивных и гоночных автомобилей.

Помимо привода ведущих колёс автомобиля, дифференциалы также применяются: В приводе двух и более постоянно ведущих осей от одного двигателя (межосевой дифференциал). В приводе соосных воздушных и водных винтов противоположного вращения (в качестве дифференциала и редуктора одновременно). В дифференциальных механизмах поворота гусеничных машин (в связке из одного-двух-трёх дифференциалов с разными принципами совместной работы). При сложении передаваемой вращением мощности от двух двигателей с произвольными частотами вращения на один общий вал.

Устройство

Основой любого дифференциала может быть только планетарная передача, которая в силу механики своей работы единственная из всех передач вращательного движения может решать задачи, стоящие перед дифференциалом в трансмиссии. Термин «планетарный дифференциал» является избыточным — любой дифференциал по умолчанию планетарный. Работоспособность как дифференциала абсолютно не зависит ни от её состава или формы, ни от выбора конкретных звеньев под ведущие или ведомые. Любая в самом простом своём варианте — трёхзвенного планетарного механизма без каких-либо управляющих элементов — может выполнять функции по разложению одного потока на два взаимосвязанных или сложению двух независимых потоков в один. Выбор иных звеньев в качестве ведущих, а других в качестве ведомых определяется лишь требуемой кинематикой связей дифференциала с другими элементами трансмиссии и особенностями механики работы дифференциала в выбранном формате распределения функций между звеньями. Дополнение управляющими элементами и применение так называемых сложных планетарных механизмов наделяет дифференциал возможностями по взаимовыравниванию угловых скоростей потоков и возможностями по активному управлению этими скоростями.

Каноническим, наиболее известным видом дифференциала является межколёсный дифференциал автомобиля, выполненный на основе простого (то есть, трёхзвенного) пространственного планетарного механизма схемы «Солнце-Водило-Солнце» (СВС) на четырёх конических шестернях. Водилом планетарной передачи такого дифференциала фактически служит весь его корпус — это ведущее звено. Две шестерни являются сателлитами на общей оси. И две шестерни являются двумя солнцами — двумя ведомыми звеньями. Подача крутящего момента осуществляется на корпус (водило) через жёстко закреплённую ведомую шестерню главной передачи, которая в свою очередь в паре с ведущей шестернёй формально есть другой элемент трансмиссии, несмотря на то, что дифференциал с ведомой шестернёй зачастую выглядит как единый сборочный узел. Снятие крутящего момента осуществляется с двух солнц, к которым в данном случае пристыкованы валы с шарнирами типа ШРУС.

Расположение На автомобилях с одной ведущей осью дифференциал располагается на ведущей оси.

На автомобилях со сдвоенной ведущей осью два дифференциала, по одному на каждой оси.

На автомобилях с подключаемым полным приводом по одному дифференциалу на каждой оси. На таких машинах не рекомендуется ездить по дорогам с плотным покрытием и с включенным полным приводом.

На автомобилях с постоянным полным приводом есть три дифференциала: по одному на каждой оси (межколёсные), плюс один, распределяющий крутящий момент между осями (межосевой). Межосевой дифференциал обычно располагается в раздаточной коробке, установленной за коробкой передач, и часто снабжается функцией принудительной ручной блокировки из кабины водителя.

При трёх или четырёх ведущих мостах (колёсная формула или ) добавляется ещё межтележечный дифференциал. При этом такой дифференциал может быть несимметричным (дифференциал неравных моментов), то есть распределять крутящий момент между полуосями не поровну, а в требуемой пропорции, например, 1/3 на переднюю ось и 2/3 на две задние оси. Разность крутящих моментов достигается, например, благодаря применению в дифференциале зубчатых колёс ведомых полуосей разного размера (диаметра).

Проблема буксующего колеса Обычный («свободный») дифференциал работает, пока ведущие колёса неразрывно связаны с дорогой. Но когда одно из колёс теряет сцепление (оказывается в воздухе, в грязи или на льду), вращается именно это колесо, в то время как другое, стоящее на твёрдой земле, неподвижно. В случае потери сцепления одним из колёс его сопротивление вращению падает, а раскрутка происходит без существенного увеличения момента сопротивления (трение скольжения в пятне контакта меньше трения покоя и несущественно зависит от скорости пробуксовки). В момент, когда колесо начинает проскальзывать, крутящие моменты на колёсах равны между собой; например, когда одно колесо находится на льду, а другое — на ровной сухой поверхности (асфальт), момент на обоих колёсах одинаков и равен наименьшему, то есть тому, которое находится на льду.

При прямолинейном движении автомобиля сателлиты относительно собственной оси не вращаются. Но каждый, подобно равноплечему рычагу, делит крутящий момент ведомой шестерни главной передачи поровну между шестернями полуосей. Когда автомобиль движется по криволинейной траектории, внутреннее по отношению к центру описываемой автомобилем окружности колесо вращается медленней, наружное быстрей — при этом сателлиты вращаются вокруг своей оси, обегая шестерни полуосей. Но принцип деления момента поровну между колесами при этом сохраняется. Мощность же, подаваемая на колёса, перераспределяется, так как она равна произведению крутящего момента на угловую скорость колеса. Если радиус поворота настолько мал, что внутреннее колесо останавливается, тогда внешнее вращается с вдвое большей скоростью, чем при движении автомобиля по прямолинейной траектории.

Свободный дифференциал не меняет крутящий момент, который всегда равен на обоих колёсах, но перераспределяет между колёсами мощность. Последняя всегда больше на том колесе, которое вращается быстрее.

История способов решения проблемы буксующего колеса

1825 — Онесифор Пеккёр (Onesiphore Pecqueur, 1792—1852) изобрёл дифференциал. 1932 — Фердинанд Порше начал исследования в области дифференциалов c проскальзыванием. 1935 — компания ZF Friedrichshafen AG, сотрудничающая с «Порше», выпустила на рынок кулачковый дифференциал, примененный впоследствии на ранних моделях Фольксваген (Type B-70)The Motor Vehicle K.Newton W.Steeds T.K.Garrett Ninth Edition pp549-550. 1956 — Горьковский автомобильный завод создает для БТР-60 кулачковый дифференциал повышенного трения, позже аналогичное решение, но в усиленном исполнении получают БРДМ-2, грузовой автомобиль ГАЗ-66 и трактор К-700. 1956 — американская компания Packard одной из первых начала выпуск моделей с -дифференциалом под фирменным названием «Twin Traction».

В 60-х годах многие компании начали производство LSD-дифференциалов под различными фирменными названиями: Alfa Romeo: Q2 American Motors: Twin-Grip Buick: Positive Traction Cadillac: Controlled Chevrolet/GMC: Positraction Chrysler: Sure Grip Dana Corporation:Trak-Lok or Powr-Lok Ferrari: E-Diff Fiat: Viscodrive Ford: Equa-Lock and Traction-Lok International: Trak-Lok или Power-Lok Jeep: Trac-Lok (clutch-type mechanical), Tru-Lok (gear-type mechanical), and Vari-Lok (gerotor pump), Power Lok Oldsmobile: Anti-Spin Pontiac: Safe-T-Track Porsche: PSD (electro-hydraulic mechanical) Saab: Saab XWD eLSD Studebaker-Packard Corporation: Twin Traction ГАЗ/УАЗ: «БТР-60» (как бренд для дифференциала закрепилось в 2010 годах, в официальных документах указывается «дифференциал типа БТР-60»)

Самоблокирующийся дифференциал

Термин обозначает любой дифференциал, механика работы которого позволяет ему самостоятельно блокироваться — то есть выравнивать угловые скорости ведомых шестерён и превращаться в прямую передачу. Самоблокирующиеся дифференциалы не требуют никаких внешних систем управления и работают автономно. В автомобилях могут использоваться как межколёсные, так и межосевые. В гусеничной технике не используются. Условно все такие дифференциалы можно разделить на две группы: срабатывающие от крутящего момента и срабатывающие от разницы угловых скоростей на ведомых шестернях. В первую группу попадают дифференциалы с винтовой, червячной и дисковой блокировками. Во вторую — дифференциалы с вискомуфтой, дифференциалы с героторным насосом, дифференциалы с центробежным автоматом включения (Eaton G80), дифференциалы с обгонными муфтами (Ferguson). Такие конструкции, как кулачковые дифференциалы и дифференциалы Красикова/Нестерова, в контексте принципов срабатывания блокировки, вероятно, можно считать чем-то промежуточным.

Принудительно блокируемые дифференциалы

Ручная блокировка дифференциала

По команде из кабины шестерни дифференциала блокируются, и колёса вращаются синхронно. Таким образом, дифференциал стоит блокировать перед преодолением сложных участков пути (вязкий грунт, препятствия), и затем разблокировать после выезда на обычную дорогу. Применяется в вездеходах и внедорожниках.