Как колеса одной оси крутятся с разной скоростью и почему машина встает, если одно колесо попало на лед? Поворачивай, буксуй и включай блокировку.
На повороте внешнее колесо проходит длинную дугу, а внутреннее короткую. Если бы оба колеса сидели на одном жестком валу, одно из них все время проскальзывало бы по дороге: шина стирается, машина плохо поворачивает, полуоси скручиваются. Дифференциал решает это шестернями-сателлитами. Они сидят на крестовине внутри корпуса, корпус крутит главная передача. Пока колеса идут одинаково, сателлиты не вращаются вокруг своей оси и просто несут обе полуоси за собой. На повороте сателлиты начинают проворачиваться и дают одному колесу обогнать корпус, а другому отстать ровно на столько же. Обратная сторона: если одно колесо на льду, дифференциал отдает весь ход ему, а второе стоит.
Дифференциал это планетарный механизм с двумя выходами. Как устроены планетарные ряды вообще, разобрано в теме механики «Планетарные передачи», а конические шестерни считаются так же, как в теме «Зубчатая передача». Здесь только два правила, которые нужны механику.
Как связаны скорости колес?
Сумма оборотов двух колес всегда вдвое больше оборотов корпуса. Если одно колесо остановить, второе закрутится вдвое быстрее корпуса.
Как делится момент?
Сателлит похож на коромысло весов: он давит на обе полуосевые шестерни одинаково. Поэтому момент на колесах всегда поровну, на любом повороте и при любой дороге.
Сколько тяги дадут два колеса?
Колесо на скользком месте больше μ · N удержать не может и начинает буксовать. Свободный дифференциал дает второму колесу столько же. С блокировкой каждое колесо тянет по своему сцеплению: F = (μ₁ + μ₂) · N.
Положи шестеренку между двумя зубчатыми рейками и толкай ее за ось. Если рейки свободны одинаково, они поедут вместе с ней. Придержи левую рейку, и шестеренка покатится по ней, а правая поедет вдвое быстрее оси. В любом случае ось шестеренки находится ровно посередине: ее скорость это среднее скоростей реек.
В дифференциале роль реек играют полуосевые шестерни, роль шестеренки сателлит, а ось сателлита закреплена в корпусе. Отсюда vк = (v₁ + v₂) / 2, или n₁ + n₂ = 2 · nк. А раз сателлит в равновесии, силы его зубьев слева и справа равны: моменты на полуосях одинаковы.
Блокировка соединяет корпус с одной полуосью. Тогда сателлиты не могут вращаться, и мост работает как жесткий вал: скорости колес равны, а момент идет туда, где есть сцепление.
У экскаватора дорога разбита водой, одно колесо попадает в глину и буксует, второе стоит. Блокировка или противобуксовочная система тормозит буксующее колесо, и момент переходит на то, что держит.
У фронтальных погрузчиков часто ставят дифференциалы повышенного трения или с автоматической блокировкой: на скользкой площадке у штабеля обычный дифференциал оставил бы машину на месте.
У сочлененного самосвала с тремя мостами передние и задние колеса на повороте тоже идут разными путями. Межосевой дифференциал делит момент между мостами, его блокируют на бездорожье.
Если ехать с блокировкой по твердой дороге и поворачивать, шины проскальзывают, полуоси скручиваются, растет износ. Включают ее только на месте с плохим сцеплением и на прямой.
Если на мосту стоят шины с разным износом, разница радиусов заставляет сателлиты все время вращаться, даже на прямой. Это греет масло и изнашивает шайбы сателлитов. Поэтому шины на мосту подбирают по диаметру.
Масло моста меняют по наработке и проверяют на стружку. Вой на повороте и стук при трогании говорят об износе сателлитов, крестовины или опорных шайб.
Взят задний мост груженого самосвала: на каждую сторону приходится 530 кН, колея по середине сдвоенных колес 5 м, радиус колеса 1,37 м, скорость 10 км/ч. Трение внутри дифференциала не учтено, поэтому моменты делятся строго поровну. Сила тяги ограничена 250 кН: столько дает двигатель на первой передаче (тема 6.2). Сопротивление движению считается как у всей машины, W = m · g · (0,02 + i), при массе 164 т. Коэффициенты сцепления учебные. Когда мост с блокировкой едет прямо, нагрузка делится поровну, пока хватает сцепления.