Работа дифференциала, блокировка

Дифференциал служит для распределения потока мощности между ведущими мостами или колесами в определенной пропорции, обеспечивая независимое вращение ведомых звеньев с различными угловыми скоростями (на повороте, по неровной дороге, при различном давлении воздуха в шинах или разном износе протектора, разной степени загрузки ведущих колес и т.д.)

Рис. 21.1. Схема работы симметричного дифференциала

Момент от ведомой шестерни ГП передается жестко закрепленному с ней корпусу дифференциала. От него момент переходит на встроенный в корпус палец сателлита. С пальца – на сателлит, который может свободно вращаться на пальце. Сателлит представляет собой шестерню (коническую в данном случае) и находится в зацеплении одновременно с двумя полуосевыми шестернями, на зубья которых передает силу от пальца.

Поскольку сателлит может свободно вращаться на пальце (см. правую часть рис. 21.1.), то сила его давления на одну полуосевую шестерню не может отличаться от силы на другую. Именно поэтому моменты на обоих колесах будут равны, независимо от угловых скоростей колес (разные угловые скорости колес легко обеспечиваются сателлитом его свободным вращением вокруг своей оси).

Отмеченное положительное свойство дифференциала в определенных дорожных условиях вызывает большие проблемы. Например: если одно колесо (предположим верхнее на рис. 21.1.) находится в воздухе и поворачивается свободно, то к нему нельзя приложить усилие со стороны сателлита (колесо не оказывает реакции). Сателлит, легко вращаясь на пальце, обкатывает полуосевую шестерню другого, стоящего на земле колеса, и не может нагрузить ее. В таком случае на обоих колесах из-за работы дифференциала сила тяги будет равна нулю.

Подобный эффект произойдет, если одно из колес находится на поверхности с низким сцеплением (грязь или лед). Другому колесу, стоящему на асфальте сателлит дифференциала будет сообщать точно такой же момент, как первому, т.к. силы по обе стороны сателлита могут быть только одинаковы.

Таким образом, общая сила тяги ведущих колес при работающем симметричном дифференциале определяется колесом, находящимся в худших условиях сцепления с дорогой.

Если сателлиту не позволить вращаться на пальце вокруг своей оси (заблокировать), то он сможет передавать усилие даже одной своей стороной на одно ведущее колесо (например, когда другое колесо повисло в воздухе). В случае заблокированного дифференциала кинематические и силовые взаимодействия будут такими, как если правое и левое ведущие колеса соединены одной жесткой осью. Проходимость автомобиля значительно повышается из-за полного использования сцепления с дорогой каждым ведущим колесом независимо от другого.

Принудительно заблокировать дифференциал (исключить возможность проворота сателлита) можно, используя, например такую конструкцию (Рис. 21.2.):

Рис. 21.2. Схема принудительной блокировки дифференциала

В этой конструкции блокирующая муфта установлена на полуоси с помощью шлицев. Она имеет зубчатый венец, которым может соединиться с зубчатым венцом, закрепленным на ведомой шестерни ГП. При зацеплении зубчатых венцов с помощью привода исключается возможность вращения сателлита вокруг своей оси (см. Рис. 21.2. справа снизу и сверху) – принудительное блокирование дифференциала.

Существуют принципиально другие конструкции, повышающие проходимость автомобиля. В них провороту сателлита на пальце препятствует трение. Такой дифференциал называются дифференциалом повышенного трения (самоблокирующийся). Пока трение не позволяет провернуться сателлиту, дифференциал вообще заблокирован, как в предыдущем случае. Например, если одно колесо в воздухе, то сателлит давит на полуосевую шестерню другого колеса силой трения, мешающей ему проворачиваться на пальце. Момент трения продолжает действовать и далее, после того, как сателлит начал вращаться вокруг пальца. Момент трения всегда передается сателлитом отстающему колесу (стоящему неподвижно или вращающемуся медленнее другого, забегающего), потому что именно надавливая на его полуосевую шестерню сателлит преодолевает трение, начиная проворачиваться. По этой причине, в случае буксования одного колеса на другое (отстающее) идет момент больший, чем на буксующее (забегающее) на величину момента трения в дифференциале.

Конструктивно получить трение, мешающее повороту сателлита вокруг пальца можно, например, так:

Рис. 21.3. Схема работы дифференциала повышенного трения

В обычных дифференциалах (не повышенного трения) также имеется некоторый момент трения, обусловленный касанием сателлита и полуосевых шестерен корпуса дифференциала.

Все выше сказанное относится и к межосевому дифференциалу с той разницей, что вместо ведущих колес у него ведущие мосты.

21.2. Классификация дифференциала

1. По расположению в трансмиссии.

1) Межколесные (рассмотрен выше).

2) Межосевой:

2. По кинематике.

1) Симметричный (рассмотрены выше).

2) Несимметричный:

Этот дифференциал распределяет на передние ведущие колеса одну часть момента, а назадние – две, соответственно количеству ведущих мостов.

3. По способу распределения момента между ведомыми звеньями.

1) Неблокируемые.

2) Самоблокирующиеся (повышенного трения).

3) С принудительной блокировкой.

4.По конструкции.

1) Шестеренчатые конические (из набора конических шестерен, как показано выше на схемах и чертежах).

2) Шестеренчатые цилиндрические (на рисунке – межосевой несимметричный):

3) Червячные.

4) Кулачковые.

5) С муфтами свободного хода.

21.3. Кинематические и силовые аспекты работы дифференциала

В общем случае движения по множеству причин одно из колес имеет угловую скорость отличную от другого. Допустим, что нижнее (на рис. 21.4.) колесо отстаёт (либо вращается медленнее другого, либо стоит на месте), а верхнее – забегает.

Рис. 21.4. Схема распределения моментов и скоростей вращения полуосей

Для симметричного дифференциала зависимость, связывающая угловые скорости колес ω_от, ω_заб и корпуса дифференциала ω_д выглядит так:

(ω_от + ω_заб) / 2 = ω_д

А в идеальном случае, когда скорости колес равны, они вращаются со скоростью корпуса дифференциала:

ω_от = ω_заб = ω_д.

Момент с корпуса дифференциала распределяется по колесам так:

М_от + М_заб = М_д.

В то же время, о чем говорилось выше, на отстающее колесо действует такой же момент, как на забегающее и еще добавляется момент трения в дифференциале - М_т:

М_от = М_заб + М_т.

В идеальном случае момент распределяется между колесами поровну.

Величина момента трения в дифференциале говорит о степени его заблокированности. Определяется эта величина коэффициентом блокировки:

К_б = М_от / М_заб.

Поскольку по условиям сцепления: М_от = F_{к от}∙ r_к = φ_от∙ G_к ∙ r_к,

М_заб = F_{к заб} ∙ r_к = φ_заб∙ G_к ∙ r_к , то получим выражение для коэффициента блокировки:

К_б =φ_от /φ_заб. Здесь r_r – радиус качения колеса, G_к – вес, приходящийся на ведущее колесо (принят одинаковым на оба колеса), φ - коэффициент сцепления между колесом и дорогой.

Если под одним колесом асфальт (φ = 0,8), а под другим – лед (φ = 0,1), то коэффициент блокировки потребуется: К_б = 0,8 / 0,1 = 8, чтобы колеса полностью использовали сцепление с дорогой. Применив записанные выше выражения можно определить, какой требуется для такого случая момент трения в дифференциале:

К_б = М_от / М_заб = (М_заб + М_т) / М_заб = 1 + М_т / М_заб =

= 1 + М_т / φ_заб∙ G_к ∙ r_к.

Подставив сюда К_б = 8 и φ_заб = 0,1 получим выражение для момента трения: М_т = 0,7∙ G_к∙ r_к. Это очень высокое внутреннее трение и его может обеспечить только дифференциал специальной конструкции (самоблокирующийся), например, червячный.

Несмотря на лучшую проходимость автомобиля с дифференциалом повышенного трения, имеются существенные недостатки:

- из-за потерь на трение падает КПД трансмиссии;

- увеличивается расход топлива;

- ухудшается управляемость и устойчивость автомобиля на твердой дороге;

- увеличивается износ шин.

Обычно у большинства дорожных автомобилей К_б = 2…2,5;

у кулачкового (повышенного трения) – 3…4;

у червячного – 6…12;

у принудительно заблокированного - К_б = ∞.

21.4. Основы расчета дифференциала

Рис. 21.5. Схема для расчета дифференциала на прочность

В этом дифференциале два сателлита расположенных на одной оси.

На каждый сателлит от корпуса дифференциала через ось действует сила:

, (21.1)

где М_еmax – максимальный момент двигателя, u_К1 – передаточное число КП первой передачи, u_o – передаточное число главной передачи, r_ср – средний радиус приложения силы к сателлиту, r₁ – радиус приложения силы в корпусе, Z – число сателлитов.

От этой силы ось под сателлитом испытывает напряжение смятия:

, (21.2)

d – диаметр оси, допускаемое напряжение МПа.

Напряжение среза пальца по основанию сателлита:

, (21.3)

S – площадь среза, допускаемое напряжение МПа.

В корпусе дифференциала на ось действует сила смятия:

. (21.4)

Под действием этой силы ось в корпусе испытывает напряжение смятия:

, (21.5)

допускаемое напряжение МПа.

§22 ПОЛУОСИ

Полуоси предназначены для передачи потока мощности от дифференциала на ведущие колеса. Полуоси могут частично или полностью воспринимать силы и моменты, действующие на колеса.

22.1. Классификация полуосей

1. По условиям нагружения.

1) Полностью нагруженная:

Сейчас такая конструкция не применяется, поскольку поломка полуоси между подшипником и корпусом дифференциала приводит к разрушению балки моста и главной передачи.

2) Полуразгруженная:

Такая конструкция применяется в легковых автомобилях классической компоновки.

3) На 3/4 разгруженная полуось:

Конструкция применялась раньше на грузовых автомобилях. Теперь не применяется.

4) Полностью разгруженная полуось:

Применяется на современных грузовых автомобилях.

2. По конструктивным особенностям (по назначению).

1) Безшарнирные.

2) Шарнирные (у переднеприводных).

3. По способу связи с ведущими колесами.

1) Фланцевые.

2) Безфланцевые.

22.2. Основы расчета полуосей

Разгруженные полуоси рассчитываются по напряжению кручения:

, (22.1)

где: .

Коэффициент 0,7 перед моментом двигателя говорит о том, что из-за трения в дифференциале на отстающее колесо может передаваться больше половины момента (70% в данном случае).

Для расчета других полуосей нужно кроме крутящего момента учитывать все силовые факторы, действующие на колесо.

Рис. 22.1. Силовые факторы, действующие на колесо

– величина статической нагрузки на колесо, m - коэффициент перераспределения нагрузки по осям при разгоне и торможении (1,1…1,4 – большие значения у легковых автомобилей).

G_КД = G_К∙К_Д – динамическая нагрузка на колесо при движении по неровной дороге. К_Д = 2 для дорожных автомобилей, для автомобилей повышенной проходимости – 3…4.

- момент на колесе, он же момент на полуоси - повторение формулы из начала раздела,

F_К, F_Т – тяговая и тормозная силы на колесе, r_к – радиус качения колеса принимается равным радиусу качения в ведомом режиме, φ_max – коэффициент сцепления колеса с дорогой.

R_Y – боковая сила:

,

здесь h_g – высота центра тяжести автомобиля, В – колея автомобиля.

Поскольку эти силовые факторы действуют не одновременно, а в определенном сочетании, расчет полуосей, а также балок мостов производится по четырем расчетным режимам поочередно. В результате выбирается наиболее напряженный режим из возможных:

1. Движение с максимальной тяговой силой.

Учитываются силовые факторы: G_K, М_К, F_К.

2. Движение с предельным торможением:

G_K, F_Т, М_Т – если тормозной момент через полуось не передается (с колеса через тормозной механизм воспринимается балкой), то он и не учитывается в этом режиме.

3. Движение с боковым заносом:

G_K, R_Y.

4. Движение по неровной дороге с высокой скоростью:

G_КД.

Пример расчета полуоси (полуразгруженной)

1. По первому расчетному режиму:

2. По второму расчетному режиму:

3. По третьему расчетному режиму:

4. По четвертому расчетному режиму:

Материал полуосей – сталь 40ХН, закалка с нормализацией.

§23 БАЛКИ МОСТОВ

Балка служит для жесткой связи между собой ведущих или управляемых колес автомобиля, а также для передачи силовых факторов на подвеску.

23.1. Классификация балок

1. По выполняемым функциям (назначению) бывают балки мостов:

1) Поддерживающих.

2) Ведущих.

3) Управляемых.

2. По технологии изготовления:

1) Кованные.

2) Литые.

3) Комбинированные.

3. По особенностям конструкции:

1) Неразъемные.

2) Разъемные.

23.2. Основы расчета балок

Наиболее нагруженным сечением является зона крепления упругого элемента подвески. Расчет производится на сложнонапряженное состояние по четырем расчетным режимам, как у полуосей:

1. Движение с максимальной тяговой силой.

G_K, М_К.

2. Движение с предельным торможением:

G_K, F_Т, М_Т

3. Движение с боковым заносом:

G_K, R_Y.

4. Движение по неровной дороге с высокой скоростью:

G_КД.

При расчете балки ведущих мостов необходимо учитывать тип полуосей. У балок разгруженных (Рис. 23.1.) и на 3/4 разгруженных полуосей расчет изгибных напряжений в сечении 1-1 от сил, действующих в плоскости качения колеса производится на плече а. Определяются изгибающие моменты в вертикальной и горизонтальной плоскостях и закручивающий момент от тормозной силы. Затем определяется результирующий момент М_из (в отличии от полуосей, в первом расчетном режиме крутящего момента не будет, а во втором режиме появляется тормозной момент, который передается на балку от тормозного щита). Результирующий момент делится на момент сопротивления изгибу W_X и так определяется напряжение изгиба.

Рис. 23.1. Расчетная схема балки ведущего моста

Крутящий момент тоже воспринимается балкой, но он расположен по другую сторону опасного сечения (в данном случае) или вообще не достигает места крепления упругого элемента (с ним работает отдельный узел направляющего элемента подвески – реактивные штанги).

При расчете балок управляемых мостов (Рис. 23.2.) надо учитывать наличие шарнира поворотного устройства колеса (например – шкворень в данном случае) и изогнутость балки в вертикальной плоскости:

Рис. 23. 2. Расчетная схема балки управляемого моста

Расчет изгибающего напряжения в горизонтальной плоскости от тяговых (если мост еще и ведущий) или тормозных сил производится с переносом действия этих сил на ось шарнира (т.е. силы будут действовать на плече в). Это происходит потому, что на плече а до шкворня момент от указанных сил уравновешивается рулевой трапецией. В ней возникают силы растяжения и сжатия, мало влияющие на саму балку.

При расчете балки на кручение в опасном сечении необходимо уменьшить плечо r_К на величину с(изгиб балки под двигателем (Рис. 23.2.):

Расчет цапфы поворотного кулака производится в опасном сечении на плече f и только при действии боковой силы (Рис. 23.2.):

М_из = G_К ∙f + R_Y∙r_К.

Шкворень (стержень шарнира поворотного кулака, как показано на рис. 23.2.) рассчитывается на изгиб, срез и смятие по нижней, наиболее нагруженной части, входящей в нижнюю проушину поворотной цапфы.

§24 ПОДВЕСКА АВТОМОБИЛЯ

Подвеска служит для снижения динамических нагрузок на автомобиль при его движении по неровной дороге.