3. Дифференциалы

Дифференциал — механизм трансмиссии автомобиля, распреде­ляющий подводимый к нему крутящий момент между выходными валами и обеспечивающий их вращение с разными угловыми скоро­стями. К конструкции дифференциала предъявляются следующие требования:

• осуществление пропорционального распределения крутящих моментов между колесами или осями; для повышения проходимости автомобиля; распределение моментов по отдельным колесам и мостам должно осуществляться пропорционально их вертикальным реакциям (отношению весовых нагрузок);

• обеспечение различной частоты вращения ведущих колес, что необходимо при повороте, движении автомобиля по неровной поверхности дороги и в других случаях;

• малые габаритные размеры и массу; строгое соблюдение габаритных размеров имеет особое значение, так как дифференциал устанавливают обычно внутри главной передачи или раздаточной коробки.

В зависимости от места установки дифференциалы бывают межосевыми (если они распределяют мощность между ведущими мостами); и межколесными (если деление мощности производится между ведущими колесами).

Если учесть, что шестерни выходных валов имеют одинаковые радиусы, то из этого следует важный вывод: дифференциал рас­пределяет крутящие моменты между выходными валами поровну. В то же время соотношение угловых скоростей выходных валов, то есть, будут ли вращаться сателлиты вокруг своих осей или нет, определяется условиями дорожного движения. В принципе выходные валы могут вращаться в противоположных направлениях.

При работе механизма возникают моменты трения шестерен дифференциала об опоры и между собой. Поэтому строгого равенства моментов на выходных валах не может быть, причем это различие в моментах обнаруживается именно на величину соотношения между суммарным моментом трения и полезным. Их соотношение таково, что в обычных шестеренчатых дифференциалах крутящий момент на одном из выходных валов может превышать момент на другом валу на 3—7%.

Если такой (симметричный) дифференциал используется в качестве межколесного, то равенство крутящих моментов на колесах автомобиля, создавая их одинаковую тяговую загрузку, в обычных условиях движения является положительным. Но когда сцепление левого и правого колес с дорогой заметно различается, то равенство крутящих моментов становится весьма негативным, так как резко ухудшает тяговые свойства автомобиля, поскольку колесо имеющее малое сцепление с дорогой не может создать большой толкающей силы (не может реализовать большой крутящий момент). Если на одном выходном валу дифференциала крутящий момент мал, значит, он будет малым и на другом. Это другое колесо, имея хорошее сцепление с дорогой, могло бы создать большую тяговую силу, чего из-за малой величины подводимого к нему момента не про­исходит. В итоге часто оказывается, что суммарной силы тяги на обоих колесах недостаточно для движения автомобиля.

Чтобы устранить отмеченный недостаток дифференциалов их можно снабдить устройством повышенного трения или механизмом для полной блокировки, который способен соединить один из выходных валов с коробкой дифференциала (водилом), что приводит к лишению всех элементов дифференциала взаимной подвижности.

Блокировка является весьма эффективным средством повышения тяговых свойств и проходимости автомобиля, однако она требует специального органа управления, который, если речь идет о межколесных дифференциалах на многоприводных автомобилях, должен быть соединен с несколькими ведущими мостами. Другим недостатком блокировки межколесного дифференциала является ухудшение управляемости автомобиля на дороге с высоким коэффициентом сцепления. В ряде случае блокировка дифференциала может даже угрожать безопасности движения (например, в ситуации, когда водитель выведет автомобиль с проселочной дороги, где межколесный дифференциал был заблокирован, на дорогу с твердым покрытием и, забыв его разблокировать, разовьет высокую скорость движения).

По конструкции основных элементов дифференциалы подразделяются на шестеренчатые, кулачковые и червячные.

Шестеренчатые дифференциалыпредставляют собой трехзвенный планетарный механизм с отрицательным значением кинематического параметрар:

Кулачковые и червячные дифференциалы одновременно являются дифференциалами повышенного трения. При введении в конструкцию шестеренчатых дифференциальных устройств, повышающих внутреннее трение, можно преобразовать их в дифференциалы повышенного трения.

По характеру распределения крутящего момента между выходными валами дифференциалы делятся на симметричные (крутящий момент распределяется поровну с параметром р= - 1) и несимме­тричные (крутящий момент между выходными валами распреде­ляется в некотором отношениир, не равном единице).

Значение параметра рдля несимметричного дифференциала выбирается близким к значению отношения весовых нагрузок на соответствующие ведущие мосты. Дифференциалы такого типа применяются главным образом как межосевые, а по конструкции — цилиндрические.

Пользуясь обычными для шестеренчатых планетарных механиз­мов методами, определим кинематические связи между его звеньями:

.

Для симметричного дифференциала, у которого р= - 1:

ω_а+ ω_b = 2 ω_h

где ω_а, ω_b и ω_h- угловые скорости соответственно выходных валов и корпуса дифференциала.

Из условия равновесия соотношение внешних моментов и мощностей, приложенных к дифференциалу, имеем:

М_h=М_а+М_b; -N_r+N_h=N_а+N_b;

или ω_h·М_h-N_r= ω_а·М_а+ ω_b·М_b,

где М_а,М_b,N_а,N_b- соответственно моменты и мощности, отведенные от дифференциала;

М_hиN_h- соответственно момент и мощность, приложенная к дифференциалу;

N_r- мощность, затраченная на трение в дифференциале:

N_r=М_r(ω_b- ω_h) = 0,5 М_r(ω_b- ω_а).

Тогда

;

.

Полуось, имеющая меньшую угловую скорость, называется отстающей, а с большей угловой скоростью —забегающей. Для симметричного дифференциала (когдар= - 1):

; (1)

, (2)

где К_б- коэффициент блокировки дифференциала:

, (3)

здесь М_отсиМ_заб- моменты соответственно на отстающей и забегающей полуосях.

Из формулы (1) видно, что момент трения увеличивает момент на отстающей полуоси. Увеличение коэффициента блокировки приводит к оптимальному использованию силы сцепления ведущих колес с грунтом, увеличению тяговой силы и улучшению проходимости автомобиля. Однако при высоких значениях К_бухудшается управляемость автомобиля, возрастает износ шин, увеличивается нагрузка на одну из полуосей, снижается КПД передачи. Целесообразный коэффициент блокировкиК_б = 0,3…0,5.

КПД передачи является величиной переменной и зависит от радиуса поворота автомобиля. Изменение К_бот 0,1 до 0,5 соответствует изменению КПД от 0,99 до 0,95 при соотношении колеиBк радиусуRповорота автомобиля:B/2R= 0,1.

Следует отметить, что при повышенных значениях коэффициента блокировки К_биз-за большого трения в дифференциале снижаются время и относительная скорость перемещения поверхностей трения, что уменьшает их износ, несмотря на относительно низкий КПД по сравнению с простым дифференциалом.

Значение К_бдля шестеренчатых дифференциалов составляет 0,05…0,15, кулачковых — 0,3…0,5, а червячных - до 0,8. В ряде ведущих мостов используются вместо дифференциаламуфты свободного хода, для которыхК_б= 1,0. Тяговое усилие в данном случае определяется только сцепной массой, приходящейся на небуксующее колесо. Возможно также применение вязкостных муфт, встроенных в корпус дифференциала (см. главу «Раздаточные коробки»).

Наибольшее распространение на автомобилях общего назначения получили шестеренчатые дифференциалы с коническими зубчатыми колесами и малым внутренним трением (рис. 12). Дифференциал с коническими шестернями изготовляется с неразъемным или разъемным корпусом. Плоскость разъема корпуса проходит через оси сателлитов, и две его части центрируются при помощи буртика, а при сборке стягиваются болтами.

Неразъемные корпуса применяются при двух сателлитах, и для возможности сборки дифференциала они имеют окна. Оси сателлитов должны быть закреплены для предотвращения самопроизвольного смещения. Конструкция неразъемного корпуса дифференциала обладает большой жесткостью. Для того чтобы сателлит мог самоустанавливаться, его торец часто выполняют сферическим. Корпус должен иметь соответствующую сферическую опорную поверхность, центр которой совпадает с вершиной конусов зубчатых колес дифференциала.

Для повышения срока службы дифференциала между опорными поверхностями сателлитов и шестерен полуосей устанавливают бронзовые или стальные шайбы, уменьшающие трение. Своевремен­ная замена изношенных шайб обеспечивает восстановление хоро­шего зацепления сателлитов с шестернями полуосей.

При проектировании дифференциалов в передачах с разнесен­ными редукторами следует учитывать повышенные относительные скорости между зубчатыми колесами полуосей и чашкой диффе­ренциала и обеспечить достаточное смазывание для предотвращения задиров поверхностей.

Дифференциалы с цилиндрическими коле­сами (рис.12-а) обычно применяются как межосевые, в которых предусмотрено несимметричное распределение крутящего момента. Усилие от зубчатого колеса6передается через коробки к осям сателлитов2, а затем через сателлиты к зубчатым колесам1и3выходных валов7и8.

Рис. 12. Шестеренчатые дифференциалы:

а — цилиндрический; б - конический; 1 и 3 - колеса выходных валов; 2 - сателлит; 4 и 5 — корпус дифференциала; 6 -зубчатое колесо; 7 и 8 - выходные валы; 9 и 10 - шестерни полуосей.

При этом крутящий момент распределяется пропорционально радиусам качения ведущих передних и задних колес r₁иr₂.

Повысить внутреннее трение в дифференциале с коническими зубатыми колесами можно при введении фрикционных элементов (рис. 13). В этих конструкциях (дифференциалы повышенного трения) крестовина заменена двумя отдельными осями сателлитов, которые имеют независимые осевые перемещения. Концевые цапфы осей сателлитов выполняются в виде кулачков с поверхностями 5U-образной формы.

Фрикционными элементами для дифференциала (рис. 13-а) служат конические поверхности промежуточных чашек2, а для дифференциала (рис. 13-б) — дисковые шайбы трения7и8. При прямолинейном движении автомобиля крутящий момент передается от корпуса диф­ференциала к осям сателлитов.

При передаче крутящего момента концевые цапфы осей сателлитов перемещаются по наклонной поверхности 5, создавая давление на чашку2. Обычно величина этих перемещений составляет десятые доли миллиметра. Возникающие силы трения на поверхностях радиуса препятствуют относительному поворачиванию шестерен полуосей3, обеспечивая блокирующее действие дифференциала.

а) б)

Рис. 13. Дифференциалы повышенного трения:

а— с фрикционными конусами; б — с фрикционными шайбами

Промежуточные чашки, установленные на полуосях, прижимаются к корпусу дифференциала не только усилием Q_c, передаваемым от буртика сателлита, но также осевыми усилиями, возникающими на зубьях шестерен полуосей при передаче момента. Варьируя углами взаимодействующих поверхностей фрикционных элементов, можно получить желаемое значение коэффициента блокировки.

Для повышения проходимости на труднопреодолеваемых участках дороги применяется дифференциал с принудительной бло­кировкой. Наиболее простым способом полной блокировки является блокировка с по­мощью зубчатой муфты (рис. 14). При этом осуществляется прямое соединение полуоси с корпусом дифференциала. Блокировка зубчатой муфтой возможна или при остановке, или при прямолинейном движении автомобиля, когда нет относительного движения полуоси и корпуса дифференциала.

Рис. 14. Центральный редуктор главной передачи с управляемой блокировкой дифференциала:

1 – зубчатая муфта; 2 – зубчатые венцы; 3 – гидравлический механизм включения блокировки; 4 – корпус дифференциала.