Симметричные и несимметричные дифференциалы
Конический дифференциал (кинематическая схема дана на рис. 3.1, а и 3.2, а). Обычный дифференциал с коническими зубчатыми колесами, применяемый в грузовых автомобилях, имеет чаще всего четыре сателлита (рис. 3.16) или, реже, три. Большинство легковых автомобилей имеет дифференциалы с двумя сателлитами. Они могут свободно вращаться вокруг шипов неподвижной крестовины, концы которой зажаты между чашками корпуса дифференциала, и постоянно находятся в зацеплении с шестернями полуосей. В общем случае сателлиты опираются на внутренние стенки
Рис. 3.16. Конический дифференциал (без корпуса):
а — в сборе; б — в разобранном виде; 1 — шестерни полуосей; 2 — сателлиты; 3 — крестовина; 4 — опорная шайба шестерни полуоси; 5 — опорные шайбы сателлитов
корпуса через опорные шайбы 5 скольжения, а полуосевые шестерни — через опорные шайбы 4. Составные части (чашки) корпуса дифференциала соединяют между собой с помощью болтов или винтов, причем часто для этого применяют установочные штифты. Корпус дифференциала в большинстве случаев имеет фланец, к которому с помощью болтов или заклепок крепится шестерня главной передачи. Иногда ведомая шестерня соединяется с корпусом дифференциала с помощью болтов, соединяющих обе его чашки.
Каждый из конических сателлитов работает как рычаг между двумя шестернями полуосей, поэтому крутящий момент, снимаемый с корпуса дифференциала, теоретически делится поровну между шестернями полуосей и, следовательно, между ведущими колесами. Такое распределение моментов происходит независимо от траектории движения транспортного средства и дорожных условий.
Конические дифференциалы, отличающиеся высоким механическим КПД, наиболее распространены и находят применение в большинстве автомобилей, преимущественно легковых. Существенный недостаток обычного конического дифференциала заключается в задерживании вращения одного из ведущих колес при скольжении другого колеса данного моста.
Цилиндрический дифференциал. В некоторых автомобилях применяют цилиндрический дифференциал, который отличается от конического только выполнением сателлитов в виде пар цилиндрических шестерен (рис. 3.17). Такая конструкция не нарушает упомянутого выше принципа действия конического дифференциала, причем роль конического сателлита выполняет пара цилиндрических шестерен, а выходных шестерен — цилиндрические шестерни, установленные на концах полуосей. Длину зубьев сателлитов и их положение выбирают такими, чтобы каждый сателлит частью своего
зубчатого венца зацеплялся с цилиндрической шестерней полуоси. Остальной частью зубчатого венца сателлит взаимодействует с другим сателлитом (равным ему по размерам), который зацепляется с цилиндрической шестерней другой полуоси. К корпусу дифференциала болтами крепится ведомая коническая шестерня главной передачи. Вместе с ведомой шестерней вращается корпус дифференциала, а также закрепленные в нем оси сателлитов.
Рис. 3.17. Конструктивная схема цилиндрического дифференциала при главной передаче:
а — конической; б — червячной; 1 и 2 — шестерни полуосей; 3 —корпус дифференциала; 4 и 5 — сателлиты; 6 — шестерня ведомая коническая; 7 — шестерня ведущая коническая; 8 — червяк; 9 — колесо червячное
Недостатком цилиндрического дифференциала является необходимость применения большого числа сателлитов, что усложняет конструкцию и увеличивает массу ведущего моста. Обычно такой дифференциал короче, но при одной и той же передаваемой мощности имеет больший диаметр. Использование дифференциала большего диаметра создает трудности в обеспечении необходимого дорожного просвета автомобиля. Малая ширина оказывается желательной для применения в некоторых отраслях промышленности.
Рис. 3.18. Шариковый дифференциал:
1 — левая полуось; 2 и 6 — шестерни полуосей; 3 — ведущая шестерня главной передачи; 4 — водило; 5 — сателлиты, 7 — правая полуось
Шариковый дифференциал. Оригинальная конструкция автомобильного дифференциала показана на рис. 3.18. В этой конструкции шариковые сателлиты 5 установлены в водиле 4, имеющем форму плоской коробки. Крутящий момент, передаваемый передачей этого типа, не может быть большим вследствие возникновения больших давлений (теоретически нагрузка передается одной точкой), которые приводят к быстрому изнашиванию передачи.
Сложный дифференциал. Оригинальная конструкция главной передачи с дифференциалом ведущего моста производства фирмы «Киркстолл» применена в автотягаче «Энтар» фирмы «Торникрофт» (рис. 3.19). Дифференциал, кроме функции равномерного распределения крутящего момента по обеим полуосям, выполняет роль редуктора, который представляет собой вторую ступень главной передачи. К червячному колесу прикреплен корпус 4 планетарной передачи с коронной шестерней с внутреннего зацепления, установленной в подшипниках 2 и 10. Планетарная передача состоит из шестерни с внутреннего зацепления, солнечной шестерни а и сателлитов b, установленных в водиле 3, которое, в свою очередь, размещено на шлицах левой полуоси 1. Солнечная шестерня а составляет одно целое с ведущей шестерней d, которая вращает шестерню f внутреннего зацепления посредством трех промежуточных шестерен е. Оси этих шестерен установлены на пальцах б, закрепленных в детали 5, которая болтами присоединена к картеру. Шестерня f внутреннего зацепления, выполненная в корпусе 7, установлена на шлицах правой полуоси 8.
Левая полуось вращается в направлении движения вследствие вращения вперед коронной шестерни с внутреннего зацепления.
Рис. 3.19. Главная передача и дифференциал автотягача «Энтар» (фирмы «Торникрофт»). Ведущий мост изготовляет фирма «Киркстолл» :
а — солнечная шестерня планетарной I передачи; b — сателлит планетарной I передачи? с — шестерня внутреннего зацепления планетарной I передачи; d — шестерня ведущая II передачи, е — шестерня промежуточная II передачи; f — шестерня внутреннего зацепления II. передачи; / — левая полуось; 2 — шариковый подшипник левой полуоси; 3 — водило планетарной передачи; 4 — корпус планетарной I передачи; 5 и 9 — опорный элемент; 6 — палец; 7 — корпус II передачи; 8 — правая полуось; 10 — роликовый подшипник
Это происходит в том случае, когда солнечная шестерня а остается неподвижной. Однако, если солнечная шестерня останется свободной, то она будет вращаться в противоположную сторону, поэтому скорость водила 3 и полуоси 1 будет меньше, чем в случае закрепления солнечной шестерни. Вращение солнечной шестерни а назад сопровождается вращением ведущей шестерни d> которая заставляет вращаться вперед правую полуось. Это приводит к некоторому уменьшению частоты вращения.
Так как к полуосям должны подводиться равные моменты, то шестерни d, е и / должны иметь определенное передаточное число по отношениям к шестерням с и а, причем условие симметричности данного дифференциала имеет вид (с/а) + 1 = f/d , в которое необходимо вместо символов шестерен проставить число имеющихся на них зубьев.
Заметим, что для вала, на котором выполнены шестерни а и d, находящиеся в зацеплении с сателлитами Ь и е применены только торцовые опоры. Это обеспечивает равномерное распределение крутящего момента, подводимого к шестерням and, между ними.
Цилиндрический дифференциал с передаточным числом iw = 2. На рис. 3.20 представлены все элементы главной передачи и дифференциала, применяемого в автомобиле «Олдсмобил торнадо», причем схема цилиндрического дифференциала представлена на рис. 3.10. Так как в конструкции ведущего моста приняты интересные решения, рассмотрим их. Чтобы избежать трудностей, обычно возникающих с вертикальным смещением ведущей гипоидной шестерни относительно ведомой, была выбрана конструкция конической главной передачи. Это позволило расположить полуоси на такой высоте, при которой обеспечивается достаточное расстояние от них до масляного резервуара и дорожный просвет не менее 164 мм в полностью груженом автомобиле (пять человек и багаж). В целях выполнения картера главной передачи компактным и узким применен цилиндрический дифференциал. Коронная шестерня внутреннего зацепления (наружный диаметр 250 мм) размещена внутри ведомой шестерни главной передачи.
Масло, используемое для главной передачи, образует достаточно прочную пленку и оказывает хорошую сопротивляемость задиру. Шестерни главной передачи изготовляют из стали 4617 по стандарту SAE, причем для того, чтобы понизить напряжения, применяют крупные зубья. Эксперименты, проведенные с литым стальным корпусом дифференциала, показали, что его твердость недостаточна даже после термообработки. Тогда были применены термо-обработанные поковки из стали 4118 по стандарту SAE. Диаметр делительной окружности шестерни внутреннего зацепления равен 152,4 мм, а диаметральный питч 12 дюйм -1 . Солнечная шестерня изготовлена из стали 4617 по стандарту SAE. После долгих экспериментов с разными типами карданных шарниров для полуосей были выбраны шарниры равных угловых скоростей Рцеппа. При каждом внутреннем шарнире применено скользящее шлицевое соединение с комплектом шариков между поверхностями зубьев и впа-
Рис. 3.20. Передний ведущий мост автомобиля «Олдсмобил торнадо» (разрез главной передачи; левой полуоси и цапфы переднего колеса): 1 — ось двигателя; 2 — ось автомобиля
дин. Рабочие поверхности полуосей предохраняются специальными кожухами. Магнитные деформированные кольца, установленные в канавках, обеспечивают высокую антикоррозийную стойкость.
Для автомобилей с колесной формулой 4 х4 или 6 хб часто требуется неравномерное распределение крутящего момента между ведущими мостами. Например, в автомобиле с колесной формулой ‘4 х4, задние сдвоенные колеса способны воспринять вес больший, чем одиночные передние колеса, по крайней мере в 2 раза. Если для распределения крутящего момента между передним и задним мостами будет применен обычный симметричный дифференциал, то для создания тяговой силы будет использоваться только половина веса, приходящегося на задний мост, так как к задним колесам невозможно подвести крутящий момент больший, чем к передним.
В грузовых автомобилях с двумя или более ведущими мостами крутящий момент должен быть распределен между этими мостами пропорционально нагрузкам, действующим на них. К сожалению, ни один из существующих несимметричных дифференциалов не соответствует этому требованию. Простые несимметричные дифференциалы распределяют крутящий момент (при малом внутреннем трении) пропорционально радиусу действия окружного усилия (см. рис. 3.2, б и в) коронной и солнечной шестерен (см. рис. 3.2, д) либо тангенсам углов конусов сателлитов к образующим которых прилагаются окружные усилия (см. рис. 3.2, г).
Несимметричные дифференциалы (см. рис. 3.2, б и в) могут быть применены только для малых перераспределений крутящего момента, так как передаваемый крутящий момент пропорционален радиусу действия окружного усилия на выходной шестерне. Наибольшее отношение крутящих моментов можно получить в конструкции, разработанной согласно рис. 3.2, г. Однако в этом случае диаметр корпуса дифференциала получается большим. В настоящее время среди несимметричных дифференциалов наибольшее применение имеют конструкции, выполняемые по схеме рис. 3.2, д.
Устройство автомобилей
Симметричные конические дифференциалы наиболее широко применяются в трансмиссии автомобилей в качестве межколесных дифференциалов благодаря простоте конструкции, надежности работы, небольших габаритов и массы. Они применяются как на грузовых, так и на легковых автомобилях.
Дифференциалы, применяемые в автомобильных трансмиссиях, представляют собой трехзвенные планетарные механизмы с двумя степенями свободы (рис. 1).
Звеньями дифференциала являются: крестовина 3, связанная с корпусом 1 дифференциала, полуосевые зубчатые колеса 2, 5 и сателлиты 4, 6.
При заданной угловой скорости вращения корпуса дифференциала угловые скорости двух выходных валов 8 и 9, связанных с полуосевыми зубчатыми колесами 2 и 5, могут принимать разные значения в зависимости от условий движения машины. В первую очередь угловые скорости выходных валов зависят от сопротивления вращению со стороны каждого ведущего колеса, оказываемого соответствующему приводному валу.
Между угловыми скоростями трех звеньев механизма существует определенная зависимость, которую называют уравнением кинематики дифференциала:
где ω1 – угловая скорость левого полуосевого колеса; ω2 – угловая скорость правого полуосевого колеса; ω0 – угловая скорость корпуса дифференциала.
Из приведенного уравнения следует, что при постоянной скорости корпуса дифференциала (ω0 = const) уменьшение частоты вращения любого из зубчатых колес на некоторую величину вызывает увеличение частоты вращения другого зубчатого колеса на эту же величину, т. е. сумма угловых скоростей колес остается постоянной при неизменной частоте вращения корпуса дифференциала.
При прямолинейном движении автомобиля по ровной поверхности (рис. 1,б) корпус 1 дифференциала через крестовину 3 и сателлиты 4 и 6 увлекает левое 2 и правое 5 полуосевые зубчатые колеса, заставляя их вращаться с одинаковой угловой скоростью. Сателлиты при этом не вращаются вокруг своих осей.
При повороте, например, направо (рис. 1, в) правое полуосевое зубчатое колесо 5 будет вращаться медленнее корпуса дифференциала, при этом левое зубчатое колесо 2 благодаря вращению сателлитов вокруг своих осей ускорится, и будет вращаться быстрее корпуса дифференциала 1.
Если одно зубчатое колесо остановить, то другое будет вращаться в два раза быстрее корпуса дифференциала.
Такое явление наблюдается при буксовании одного из ведущих колес автомобиля – если одно колесо застрянет, например, в трясине, второе колесо, стоящее на скользкой поверхности, будет быстро вращаться при неподвижном первом.
Остановка корпуса дифференциала с помощью трансмиссионной стояночной тормозной системы или в результате заклинивания главной передачи при движении автомобиля может привести к тому, что ведущие колеса, находящиеся на поверхностях с различными сцепными условиями, станут вращаться в разные стороны, и автомобиль занесет. Поэтому использование трансмиссионной стояночной тормозной системы для экстренной остановки автомобиля не рекомендуется.
Основным динамическим свойством симметричного дифференциала является то, что при отсутствии потерь в зацеплении и опорах моменты на полуосях распределяются поровну:
где М1 и М2 – моменты на полуосевых зубчатых колесах; М0 – момент на корпусе дифференциала.
Распределение крутящего момента поровну между колесами одного моста благоприятно при движении автомобиля по дороге с твердым покрытием, когда сцепление всех колес с дорогой одинаково.
Однако если одно из колес движется по скользкому грунту, то, как это описывалось выше, автомобиль может забуксовать. При этом на застрявшем колесе реализуется незначительный крутящий момент.
По этой причине симметричный дифференциал ухудшает проходимость автомобиля, что является одним из основных недостатков дифференциалов данного типа.
Более подробно устройство межколесного симметричного конического дифференциала показано на рисунке 2.
Особенности устройства и работы симметричного конического дифференциала
Механизм симметричного конического дифференциала, который наиболее широко используется в качестве межколесного дифференциала, включает в себя корпус, состоящий из двух чашек 1 и 8, стянутых болтами, к которым крепится ведомое цилиндрическое зубчатое колесо главной передачи. Между чашками зажата крестовина 9, на шипах которой свободно установлены четыре сателлита 5. В отверстия сателлитов запрессованы бронзовые втулки.
Полуосевые зубчатые колеса 3 и 6 расположены на внутренних шлицованных концах полуосей и находятся в постоянном зацеплении с сателлитами.
Для сборки дифференциала в корпусе выполняют окна. Для уменьшения трения и повышения срока службы дифференциала между торцами сателлитов и полуосевых зубчатых колес устанавливают бронзовые шайбы 2, 4, 7.
Торцевые поверхности сателлитов, так же, как и внутренние поверхности корпуса, выполнены сферическими, что способствует их лучшему центрированию на шипах крестовины. Сателлиты и полуосевые зубчатые колеса имеют прямые зубья.
Устранение отрицательного свойства дифференциала, ухудшающего проходимость автомобиля, может достигаться принудительной блокировкой дифференциала, что приводит к образованию жесткой связи между правым и левым ведущими колесами. Принудительное блокирование дифференциалов используют для повышения проходимости полноприводных автомобилей. Блокирование дифференциала может осуществляться различными способами, например, путем соединения одной из полуосей с помощью зубчатой муфты 1 с зубчатым венцом 2, выполненной на удлиненной части чашки дифференциала, при этом все элементы дифференциала вращаются как одно целое (рис. 3).
Принудительное блокирование дифференциала осуществляют с места водителя с помощью дистанционного привода, который может быть механическим, пневматическим, электропневматическим и т. п.
После прохождения сложного участка дороги блокировку необходимо выключить, чтобы избежать интенсивного изнашивания шин, потери устойчивости автомобиля и повышенного расхода топлива.
Неумелое использование принудительной блокировки дифференциала может повредить трансмиссию. Поэтому при включении блокировки полуосей следует применять следующие меры:
- включать жесткие блокировки можно только при полностью остановленном автомобиле;
- включать блокировку следует осторожно, так как усилия двигателя вполне достаточно чтобы сорвать сам механизм блокировки или поломать полуось;
- не следует забывать, что включенная блокировка (особенно на ведущем переднем мосту) отрицательно сказывается на управляемости автомобиля;
- не рекомендуется использовать жесткую блокировку дифференциала на твердом покрытии.
- при включенной блокировке необходимо придерживаться скоростных ограничений, рекомендованных производителем.
Из-за описанного недостатка симметричных конических дифференциалов, ухудшающего проходимость автомобиля и требующего применения специальных блокирующих устройств, в конструкции автомобилей, особенно предназначенных для работы в сложных дорожных условиях, иногда применяют дифференциалы других типов, обладающих свойством самоблокирования – так называемые самоблокирующиеся дифференциалы.
К такому типу дифференциалов относятся, например, кулачковые дифференциалы повышенного трения.
Дифференциал
Дифференциал предназначен для передачи, изменения и распределения крутящего момента между двумя потребителями и обеспечения, при необходимости, их вращения с разными угловыми скоростями.
Дифференциал является одним из основных конструктивных элементов трансмиссии. Расположение дифференциала в трансмиссии автомобиля:
1)в заднеприводном автомобиле для привода ведущих колес – в картере заднего моста;
2)в переднеприводном автомобиле для привода ведущих колес – в коробке передач;
3)в полноприводном автомобиле для привода ведущих колес – в картере переднего и заднего мостов;
4)в полноприводном автомобиле для привода ведущих мостов – в раздаточной коробке.
Дифференциалы, используемые для привода ведущих колес, называются межколесными. Межосевой дифференциал устанавливается между ведущими мостами полноприводного автомобиля.
Конструктивно дифференциал построен на основе планетарного редуктора. В зависимости от вида зубчатой передач, используемой в редукторе, различают следующие виды дифференциалов:
Конический дифференциал применяется в основном в качестве межколесного дифференциала. Цилиндрический дифференциал устанавливается чаще между осями полноприводных автомобилей. Червячный дифференциал, ввиду своей универсальности, может устанавливаться как между колесами, так и между осями.
Устройство дифференциала рассмотрено на примере самого распространенного конического дифференциала. Составные части дифференциала являются характерными и для других видов дифференциалов. Конический дифференциал имеет следующее общее устройство:
Корпус (другое наименование – чашка дифференциала) воспринимает крутящий момент от главной передачи и передает его через сателлиты на полуосевые шестерни. На корпусе жестко закреплена ведомая шестерня главной передачи. Внутри корпуса установлены оси, на которых вращаются сателлиты.
Сателлиты, играющие роль планетарной шестерни, обеспечивают соединение корпуса и полуосевых шестерен. В зависимости от величины передаваемого крутящего момента в конструкции дифференциала используется два или четыре сателлита. В легковых автомобилях применяется, как правило, два сателлита.
Полуосевые шестерни (солнечные шестерни) передают крутящий момент на ведущие колеса через полуоси, с которыми имеют шлицевое соединение. Правая и левая полуосевые шестерни могут иметь равное или различное число зубьев. Шестерни с равным числом зубьев образуют симметричный дифференциал, тогда как неравное количество зубьев характерно для несимметричного дифференциала.
Симметричный дифференциал распределяет крутящий момент по осям в равных соотношениях, независимо от величины угловых скоростей ведущих колес. Благодаря этим свойствам симметричный дифференциал используется в качестве межколесного дифференциала.
Несимметричный дифференциал делит крутящий момент в определенном соотношении, поэтому устанавливается между ведущими осями автомобиля.
В работе симметричного межколесного дифференциала можно выделить три характерных режима:
1)прямолинейное движение;
2)движение в повороте;
3)движение по скользкой дороге.
При прямолинейном движении колеса встречают равное сопротивление дороги. Крутящий момент от главной передачи передается на корпус дифференциала, вместе с которым перемещаются сателлиты. Сателлиты, обегая полуосевые шестерни, передают крутящий момент на ведущие колеса в равном соотношении. Так как сателлиты на осях не вращаются, полуосевые шестерни движутся с равной угловой скоростью. При этом частота вращения каждой из шестерен равна частоте вращения ведомой шестерни главной передачи.
При движении в повороте внутреннее ведущее колесо (расположенное ближе к центру поворота) встречает большее сопротивление, чем наружное колесо. Внутренняя полуосевая шестерня замедляется и заставляет сателлиты вращаться вокруг своей оси, которые в свою очередь увеличивают частоту вращения наружной полуосевой шестерни. вк.ком/autobap Движение ведущих колес с разными угловыми скоростями позволяет проходить поворот без пробуксовки. При этом, в сумме частоты вращения внутренней и наружной полуосевых шестерен всегда равна удвоенной частоте вращения ведомой шестерни главной передачи. Крутящий момент, независимо от разных угловых скоростей, распределяется на ведущие колеса в равном соотношении.
При движении по скользкой дороге одно из колес встречает большее сопротивление, тогда как другое проскальзывает — буксует. Дифференциал, в силу своей конструкции, заставляет вращаться буксующее колесо с увеличивающейся скоростью. Другое колесо при этом останавливается. Сила тяги на буксующем колесе, по причине низкой силы сцепления, мала, поэтому и крутящий момент на этом колесе тоже мал. А так как дифференциал у нас симметричный, то на другом колесе крутящий момент тоже будет небольшим. Тупиковая ситуация – автомобиль не может сдвинуться с места.
Для продолжения движения необходимо увеличить крутящий момент на свободном колесе. Это осуществляется с помощью блокировки дифференциала.