Как работает дифференциал: почему колёса крутятся с двумя скоростями

Коротко: в повороте внешнее колесо проходит больший путь, чем внутреннее, поэтому два ведущих колеса должны вращаться с разной скоростью; на одной жёсткой оси какой-то шине пришлось бы проскальзывать. Дифференциал это позволяет: ведущая шестерня карданного вала вращает ведомую (кольцевую) шестерню, та вращает корпус дифференциала (водило), а внутри него сателлиты на оси входят в зацепление с полуосевой шестернёй каждого колеса. На прямой всё вращается одним блоком. В повороте сателлиты вращаются на своей оси, забирая у внутренней стороны ровно столько, сколько добавляют внешней, поэтому ведомая шестерня всегда крутится со средней скоростью, а оба колеса остаются ведущими.

В повороте внешнее колесо проходит больше

Wikipedia: "During cornering, the outer wheels of a vehicle must travel farther than the inner wheels (since they are on a larger radius)." («В повороте внешние колёса автомобиля должны пройти больше, чем внутренние (поскольку они находятся на большем радиусе)».) Quadratec говорит о скорости: "Whenever a vehicle negotiates a turn, the outside wheel must travel farther (turn faster) than the inside wheel." («Всякий раз, когда машина проходит поворот, внешнее колесо должно пройти больше (вращаться быстрее), чем внутреннее».) И The Drive: "The outside wheel is spinning faster as it has a slightly longer path to take than the inside wheel." («Внешнее колесо крутится быстрее, потому что ему предстоит чуть более длинный путь, чем внутреннему».)

Поворот в видео условный (наш расчёт): поворот на 90°, внутреннее заднее колесо на радиусе 5 м, колея 1,6 м, значит, внешнее — на 6,6 м. Внутреннее колесо проходит π/2 × 5 ≈ 7,9 м, внешнее — π/2 × 6,6 ≈ 10,4 м.

На жёсткой оси шина проскальзывает

Lesics: "If these wheels were connected using a solid shaft, the wheels would have to slip to accomplish the turn." («Если бы эти колёса были соединены жёстким валом, им пришлось бы проскальзывать, чтобы пройти поворот».)

Ведущая шестерня, ведомая шестерня, корпус

Wikipedia: "a ring gear is driven by a pinion gear connected to the transmission." («кольцевую шестерню приводит в движение ведущая шестерня, соединённая с трансмиссией»). И: "Input torque is applied to the ring gear (purple), which rotates the carrier (purple) at the same speed." («Входной крутящий момент приложен к кольцевой шестерне (фиолетовая), которая вращает водило (фиолетовое) с той же скоростью».)

The Drive проходит тот же путь с другого конца: "The spinning motion of the driveshaft makes its way to the input pinion inside the differential housing. This turns a ring gear that the differential itself is attached to, which then, through a series of gears, turns the rear driveshafts." («Вращение карданного вала доходит до ведущей шестерни внутри картера дифференциала. Она вращает кольцевую шестерню, к которой крепится сам дифференциал, а та через ряд шестерён вращает задние приводные валы».)

Сателлиты на оси

Quadratec: "The ring gear is bolted to one side, and the spider gears, or differential gears, are housed internally." («Кольцевая шестерня прикручена болтами с одной стороны, а сателлиты, или шестерни дифференциала, находятся внутри».) И: "Differential Pin: This pin keeps the spiders gears aligned" («Ось дифференциала: эта ось удерживает сателлиты на месте»).

Lesics: "The spider gear is meshed with 2 side gears." («Сателлит находится в зацеплении с 2 полуосевыми шестернями».) На каждое колесо приходится по одной полуосевой шестерне.

На прямой: один блок

Quadratec: "When the vehicle is driven in a straight line, an equal force is placed on both side gears. Due to this, the spider gears will not rotate." («Когда машина едет по прямой, на обе полуосевые шестерни действует одинаковая сила. Поэтому сателлиты не вращаются».)

Lesics: "In short, when the vehicle moves straight, the spider-side gear assembly will move as a single solid unit." («Короче говоря, когда машина едет прямо, узел из сателлитов и полуосевых шестерён движется как единое целое».) Wikipedia добавляет, что сателлит (там — "planet gear") всё равно обходит круг вместе с водилом: "the planet gear (green) doesn't rotate on its axis (although the gear and its pin are orbiting due to being attached to the carrier)." («планетарная шестерня (зелёная) не вращается вокруг своей оси (хотя шестерня и её ось обращаются по кругу, потому что закреплены на водиле)».)

Оба колеса вращаются со скоростью ведомой шестерни.

В повороте: сателлиты вращаются

Quadratec: "This is accomplished by a series of gears that allow the outside wheel to turn faster than the ring gear, while the inside wheel turns slower than the ring gear." («Это достигается набором шестерён, которые позволяют внешнему колесу вращаться быстрее кольцевой шестерни, а внутреннему — медленнее неё».)

RANDYS: на прямой "the spider gears remain motionless within the carrier" («сателлиты остаются неподвижными внутри водила»), а "When the spider gears are in motion they rotate on the cross-pin shaft, especially when the vehicle is turning a corner." («Когда сателлиты приходят в движение, они вращаются на поперечной оси, особенно когда машина проходит поворот».)

Почему: одна сторона получает то, что теряет другая

Lesics: "When the spider gear is spinning as well as rotating, peripheral velocity on the left side of spider gear is the sum of the spinning and rotational velocities. But on the right side, it is the difference of the two, since the spin velocity is in the opposite direction on this side." («Когда сателлит и вращается вокруг своей оси, и обходит круг, окружная скорость на его левой стороне равна сумме скоростей вращения и обхода. А на правой стороне — их разности, потому что с этой стороны собственное вращение направлено в обратную сторону».)

Ведомая шестерня крутится со средней скоростью

Wikipedia: "A differential is a gear train with three drive shafts that has the property that the rotational speed of one shaft is the average of the speeds of the others." («Дифференциал — это зубчатая передача с тремя валами, у которой скорость вращения одного вала равна среднему от скоростей двух других».)

В повороте из видео (наш расчёт): скорость каждого колеса пропорциональна радиусу, а корпус дифференциала соответствует среднему радиусу 5,8 м. Внутреннее колесо крутится со скоростью 5 ÷ 5,8 ≈ 86 % от скорости ведомой шестерни, внешнее — 6,6 ÷ 5,8 ≈ 114 %, и (86 + 114) ÷ 2 = 100.

Оба колеса остаются ведущими

The Drive: "A differential takes power coming from the engine through the drivetrain and splits it up between the wheels that it's assigned to control." («Дифференциал берёт мощность, идущую от двигателя через трансмиссию, и делит её между колёсами, которыми он управляет».) Lesics описывает его задачу так: "to allow the drive wheels to turn at different rpms while both receiving power from the engine." («позволить ведущим колёсам вращаться с разными оборотами, при этом оба получают мощность от двигателя».)

Объяснено ещё в 1937 году

Фильм 1937 года уже объяснял всё это, и The Drive (2020) пишет: "Despite it being 83 years old, it still holds up as one of the best explanations videos to understand what goes on inside a differential" («Несмотря на свои 83 года, он по-прежнему остаётся одним из лучших объясняющих видео о том, что происходит внутри дифференциала».)

Вывод

1. В повороте два ведущих колеса должны вращаться с разной скоростью: внешнему нужно пройти больше.
2. Это позволяют сателлиты дифференциала: на прямой они просто едут вместе с корпусом (один блок), в повороте вращаются на своей оси.
3. Их вращение забирает у внутреннего колеса ровно столько, сколько отдаёт внешнему, поэтому ведомая шестерня крутится со средней скоростью, а оба колеса остаются ведущими.

Источники

• Wikipedia, Differential (mechanical device), версия от 17 сентября 2026 года
• Quadratec, Differentials Explained - Standard Open Differential
• S. Mathew, Lesics, How does a differential work?, 7 мая 2014 года
• RANDYS Worldwide, How It Works: Spider Gears, 19 ноября 2025 года
• P. Nelson, The Drive, Demystifying the Differential, a Crucial Drivetrain Component, 28 апреля 2022 года
• J. Garcia, The Drive, This Incredible Film From 1937 Teaches You How a Car's Differential Works, 1 августа 2020 года

Видео анимировано кодом, а сценарий написан с помощью ИИ; каждая цитата выше сверена с источником, а цифры с пометкой «наш расчёт» посчитаны нами. Условно показано: машина, поворот на 90° и следующие из него скорости, а также рисунки дифференциала (число зубьев, передаточное отношение главной пары и пропорции не взяты ни с одной реальной машины). Видео озвучено на английском. Сделано в Shotloop — моём бесплатном Mac-приложении для объясняющих видео из кода, которые правятся по одной сцене за раз.