Конический симметричный дифференциал.

На рис.2 показаны детали наиболее широко применяемого на автомобилях шестеренного конического дифференциала, устанавливаемого между полуосями ведущих колес.

Две чашки 1 и 5 дифференциала стянуты болтами 6.

На коробке дифференциала закреплено ведомое колесо главной передачи, приводящее коробку во вращение.

Между чашками дифференциала зажата крестовина 8, на шипах которой свободно посажены и могут вращаться прямозубые конические зубчатые колеса, так называемые сателлиты 4, находящиеся в зацеплении с двумя коническими полуосевыми зубчатыми колесами 3.

Последние внутренними шлицами соединены со шлицевыми концами полуосей, свободно проходящих через отверстия в коробке дифференциала.

На наружных концах полуосей установлены колеса.

Для уменьшения трения под торцовые поверхности сателлитов и полуосевых зубчатых колес подложены шайбы 2 и 7.

Рис. 3. Схемы работы дифференциала: а – при движении автомобиля по прямой; б - при движении автомобиля на повороте; 1 и 8 – полуоси; 2 и 6 – полуосевые зубчатые колеса; 3 – ведомое колесо главной передачи; 4 – ось сателлитов; 5 и 9 – сателлиты; 7 – коробка дифференциала.

При вращении коробки 7 (рис. 3) дифференциала она через сателлиты 5 и 9, полуосевые зубчатые колеса 2 и 6 вращает полуоси 1 и 8. Передача крутящего момента происходит в следующем порядке: через ведомое колесо 3 главной передачи, коробку 7 дифференциала, ось 4 сателлитов, сателлиты 5 и 9, полуосевые зубчатые колеса 2 и 6, полуоси 1 и 8. Сателлиты, кроме того, могут вращаться на своих осях, поэтому они могут изменять частоту вращения полуосевых зубчатых колес относительно коробки дифференциала.

Если сателлиты не вращаются на оси, то обе полуоси вращаются с одинаковой частотой вращения. Это происходит при движении автомобиля по прямой и ровной дороге, когда задние колеса при одинаковом сопротивлении качению проходят одинаковый путь и имеют, следовательно, одинаковую частоту вращения (рис.3а). При повороте автомобиля, например, вправо сателлиты, вращаясь на своих осях, обкатываются по полуосевым зубчатым колесам и увеличивают частоту вращения полуосевого зубчатого колеса 2 и связанных с ним полуоси 1 и колеса. Одновременно частота вращения полуосевого зубчатого колеса 6 уменьшается. При этом понижается частота вращении полуоси 8 и колеса, связанного с зубчатым колесом 6. Частота вращения коробки дифференциала всегда остается равной полусумме часто вращения левой и правой полуосей.

В заднем ведущем мосту автомобилей ГАЗ-53А, ГАЗ-53-12 установлен симметричный конический дифференциал, коробка которого состоит из двух чашек. Как уже указывалось, ведомое колесо главной передачи прикреплено к фланцу коробки дифференциала, вращающейся на двух роликоподшипниках. Чтобы конструкция была прочной и имела малые габаритные размеры, число сателлитов доведено до четырех. Полуосевые зубчатые колеса надеты на шлицы полуосей, которые центрированы в гнездах, расточенных в коробке дифференциала

Детали дифференциала необходимо смазывать, так как они нагружаются значительными силами. Для улучшении подвода смазочного материала к этим деталям и повышении износостойкими опорных шайб сателлитов на коробке дифференциала установлен маслоуловитель. Дифференциалы легковых автомобилей имеют обычно два сателлита, а грузовых и автобусов – четыре.

Дифференциалы относятся к планетарным механизмам и имеют две степени свободы, что определяет их свойства по соотношению между угловыми скоростями и крутящими моментами отдельных звеньев. У рассматриваемого дифференциала число зубьев обеих полуосевых шестерен одинаковы. Поэтому сумма угловых скоростей левой и правой полуосевых шестерен равна удвоенной угловой скорости корпуса дифференциала: + =2 , и крутящие моменты обеих полуосевых шестерен (как и моменты ведущих колес) равны при любых соотношениях их угловых скоростей.

При прямолинейном движении по ровной поверхности левое и правое ведущие колеса вращаются с одинаковой угловой скоростью. Усилия на зубьях полуосевых шестерен одинаковы, сателлиты неподвижны на своих осях, и весь дифференциал вращается как одно целое.

При повороте наружное колесо проходит больший путь, чем внутреннее, поэтому скорость его вращения (как и соответствующей полуосевой шестерни) увеличивается по сравнению с угловой скоростью внутреннего колеса. Сателлиты вращаются относительно своих осей и вместе с корпусом дифференциала, а сумма угловых скоростей полуосевых шестерен остается равной удвоенной угловой скорости корпуса дифференциала, т.е. насколько увеличивается угловая скорость одной полуосевой шестерни, настолько же уменьшается угловая скорость другой.

Если одно из колес остановлено, другое вращается в два раза быстрее корпуса дифференциала. Это наблюдается в случае буксования одного из ведущих колес при неподвижном автомобиле. Если при движении автомобиля резко остановить корпус дифференциала, например, стояночным трансмиссионным тормозом, ведущие колеса могут вращаться в разных направлениях, что может вызвать занос автомобиля и потерю устойчивости. Поэтому запрещается использование стояночного трансмиссионного тормоза для остановки движущегося автомобиля.

Свойство конического симметричного дифференциала распределять крутящий момент поровну между ведущими колесами является положительным при движении автомобиля по опорной поверхности с высоким коэффициентом сцепления и относительно малым сопротивлением движению, так как оно обеспечивает хорошую управляемость и устойчивость автомобиля. Однако если одно из ведущих колес находится на скользкой поверхности, например, при трогании с места, крутящий момент на нем будет мал, так как он зависит от коэффициента сцепления, который в этом случае минимален. По свойству симметричного дифференциала такой момент будет и на другом колесе, хотя оно находится на поверхности с высоким коэффициентом сцепления. Если суммарного момента будет недостаточно для движения автомобиля, он не тронется с места — одно колесо будет буксовать, а другое будет неподвижным.

Для устранения этого недостатка иногда применяют принудительную блокировку дифференциала, жестко соединяя одну из полуосей с корпусом дифференциала. В этом случае момент на каждом ведущем колесе зависит от его сцепления с опорной поверхностью. Момент, подводимый к колесу с лучшим сцеплением, увеличивается, и этим создается увеличенная суммарная сила тяги на обоих ведущих колесах, обеспечивающая трогание с места и его движение в различных условиях.

Для повышения проходимости на некоторых автомобилях применяют самоблокирующиеся дифференциалы, которые обеспечивают передачу большего крутящего момента на колесо, имеющее лучшее сцепление с опорной поверхностью и вращающееся с меньшей угловой скоростью (отстающее колесо), по сравнению с колесом, находящимся на участке с недостаточными сцепными качествами и вращающимся соответственно с большей угловой скоростью (забегающее колесо). Таким образом, суммарная сила тяги обоих колес увеличивается. Отношение момента на отстающем колесе М_от к моменту на забегающем колесе М_заб называется коэффициентом блокировки: k_б=М_от/М_заб.

Оптимальный коэффициент блокировки определяется отношением максимального и минимального коэффициентов сцепления, которое для наиболее характерных условий движения находится в пределах 3 – 5.

Из большого числа различных по принципу действия самоблокирующихся дифференциалов наибольшее распространение получили дифференциалы повышенного трения — конические и кулачковые, а также механизмы типа муфт свободного хода.

Дифференциалы повышенного трения конструктивно могут выполняться различными: шестеренными с фрикционными элементами, червячными, кулачковыми (сухарными), гидравлическими. По рабочему процессу их можно разбить на три группы: с постоянным моментом трения; с моментом трения, пропорциональным передаваемому моменту; с моментом трения, пропорциональным квадрату разности угловых скоростей выходных валов.

Коэффициент блокировки дифференциала повышенного трения зависит от потерь на трение и, следовательно, связан с его КПД.

Шестеренный дифференциал с постоянным моментом трения практически не применяется.

Рис. 4. Конический дифференциал с дисками трения

Шестеренные дифференциалы с моментом трения, пропорциональным передаваемому моменту (рис.4), часто применяются на автомобилях высокого класса.

Трение в дифференциале создается двумя дисковыми фрикционными муфтами 1 и 4.

Крестовина дифференциала составлена из двух половин 2 и 3, которые могут раздвигаться при передаче момента, скользя концами шипов по наклонным поверхностям вырезов 5 в корпусе дифференциала.

Чем больше передаваемый момент, тем больше раздвигаются обе части крестовины и тем большее сжимающее усилие действуем на фрикционные диски.

Коэффициент блокировки постоянный, обычно k_б < 4. При передаче небольшого момента (например, при движении, на повороте) трение невелико.

Рис. 5. Гидравлический дифференциал

В гидравлических дифференциалах момент трения, как правило, зависит от квадрата разности угловых скоростей ведомых валов.

Могут применяться межколесные или межосевые конструкции (рис.5).

В ней установлен лопастной масляный насос, ротор 3 которого жестко связан с левой полуосевой шестерней, а статор 1 закреплен на корпусе дифференциала.

В том случае, когда полуосевые шестерни вращаются с разными угловыми скоростями, масляный насос перекачивает масло через узкий канал 4, получая питание через канал 2, чем создается сопротивление поворачиванию полуосевой шестерни.

Поступление масла в полость корпуса дифференциала обеспечивается черпаками 5. Блокировка осуществляется при движении как вперед, так и назад.

Гидравлическим дифференциалам этого типа присущи некоторые недостатки, ограничивающие их применение: давление, создаваемое насосом, должно быть высоким, что трудно осуществимо; гидравлическое сопротивление зависит от температуры масла.

Рис. 6. Межосевой дифференциал с гидравлической блокирующей муфтой

В последнее время распространение получили простые дифференциалы с автоматической блокировкой при помощи гидромуфты с вязкой жидкостью (рис.6).

Этот дифференциал межосевой, размещен в раздаточной коробке. Гидромуфта включена между валами 2 и 3 приводов переднего и заднего мостов.

Привод от двигателя осуществляется через коробку передач и вал 7 раздаточной коробки.

С увеличением разницы угловых скоростей валов, а также времени буксования, момент трения гидромуфты увеличивается.

Иногда дифференциалы этого типа называют "силиконовыми" по названию применяемой в них жидкости.

Опыт эксплуатации этих дифференциалов пока отсутствует. Можно предположить, что в условиях низких температур применение "силиконовых" дифференциалов несколько снизит КПД трансмиссии.

Рассмотрим назначение и типы полуосей.

Крутящий момент от полуосевых шестерен дифференциала к ведущим колесам передается валами, называемыми полуосями.

Помимо крутящего момента, полуоси могут быть нагружены изгибающими моментами от сил, действующих на ведущее колесо.

В зависимости от испытываемых полуосью нагрузок принято их условное деление на полуразгруженных (рис.7а), разгруженные на три четверти (рис.7б)и полностью разгруженные (рис.7в). Полуразгруженная полуось воспринимает все усилия и моменты, действующие от дороги. На три четверти разгруженная полуось имеет внешнюю опору между ступицей колеса и балкой моста, поэтому изгибающие моменты от вертикальных, продольных и боковых реакций воспринимают одновременно и полуось, и балка моста через подшипник. Полностью разгруженная полуось не воспринимают изгибающие моменты от вертикальных, продольных и боковых реакций.

Рис. 7. Схемы полуосей: а – полуразгруженная; б – разгруженная на три четверти; в – полностью разгруженная.

Полуоси грузовых автомобилей выполняются полностью разгруженными, легковых автомобилей — полуразгруженными, легковых автомобилей высокого класса — разгруженными на три четверти. Эта принятая классификация весьма условна.

Главная передача имеет одну пару конических шестерен со спиральным зубом. Оси шестерни не пересекаются и лежат им некотором расстоянии (ось ведущей шестерни ниже оси ведомой), т.е. имеют гипоидное смещение. Благодаря гипоидному смещению уменьшается высота расположения карданной передачи и пола кузова, вследствие чего повышается комфортабельность автомобиля, несколько снижается его центр тяжести и повышается устойчивость. Кроме того, гипоидная главная передача имеет повышенные прочность и долговечность, а также обеспечивает плавное зацепление шестерен и бесшумность работы.