Практична робота №5 аналіз і оцінка конструкцій диференціалів

Мета роботи: Вивчити вимоги до аналізу конструкцій диференціалів, визначити кінематичні і динамічні зв’язки в диференціалі, проводити аналіз і оцінку конструкцій диференціалів.

Порядок виконання роботи

1. Ознайомитись з класифікацією диференціалів.

2. Вивчити вимоги до аналізу конструкцій диференціалів.

3. Провести аналіз диференціалів згідно вимог.

4. Записати кінематичні і динамічні зв’язки в диференціалі.

5. Викреслити симетричний конічний та циліндричний диференціал.

6. Викреслити конструкції пристроїв для блокування диференціалу.

7. Оформити звіт та дати усні відповіді на контрольні питання.

Контрольні питання

1. Які основні вимоги до аналізу конструкцій диференціалів?

2. Порівняйте два типи диференціалів: конічного і циліндричного.

3. Як визначити ККД диференціала?

4. Дайте порівняльну оцінку самоблокованих диференціалів різних типів.

5. З якою метою встановлюється міжосьовий диференціал і яке граничне навантаження може бути передане на передні колеса, якщо міжосьовий диференціал заблокований?

Література

1. Осепчугов В.В. Автомобиль [Текст]: Анализ конструкций, элементы расчета: Учеб. для студ. вузов, обуч. по спец. "Автомобили и автомобильное хозяйство" / В.В. Осепчугов, А.К. Фрумкин. – М.: Машиностроение, 1989. – 304с.

2. Боровських Ю.І. Будова автомобілів. / Ю.І. Боровських, Ю.В. Буральов, К.А. Морозов. – К., "Вища школа", 1991р.

3. Кисликов В.Ф. Будова й експлуатація автомобілів. [Текст]: Підручник для професійно технічних закладів. / В.Ф. Кисликов, В.В. Лущик – 6-е видання. – К.: "Либідь", 2006. – 400с.

4. Дзюба П.Я., Монтаков В.А. Автомобили, тракторы, сельскохозяйственные машины: Учеб. Пособие. – Киев: Вища школа, 1983. – 375 с.

Дифференциал — механизм трансмис­сии, выполняющий функции распределе­ния подводимого к нему крутящего момен­та между колесами или мостами (в не­которых автомобилях между бортами) и позволяющий ведомым валам вращаться с неодинаковыми угловыми скоростями. К нему предъявляют следующие требо­вания:

распределение крутящих моментов меж­ду колесами и мостами в пропорции, обеспечивающей наилучшие эксплуатаци­онные свойства (максимальную тяговую силу, хорошие устойчивость н управляе­мость) ;

Механизм дифференциала впервые был применен в 1897 г. на паровом авто­мобиле. Вскоре после появления автомо­билей с двигателем внутреннего сгорания и на них стали применять дифференци­алы, однако даже в 20-х годах неко­торые автомобили выпускались без диф­ференциала. В частности, без дифферен­циала выпускался автомобиль НАМИ-1. В настоящее время все автомобили имеют межколесные дифференциалы. Межосевые дифференциалы применяются в многоприводных автомобилях для пре­дотвращения циркуляции мощности, до­полнительно нагружающей трансмиссию и вызывающей ускоренное изнашивание шин.

В качестве межколесных дифференциа­лов на большинстве автомобилей устанав­ливаются конические дифференциалы, ре­же — цилиндрические.

Межосевой дифференциал может уста­навливаться в раздаточной коробке («Урал-375», КрАЗ-260, КАЗ-4540) или в приводе главных передач (КамАЭ-5320, ЭИЛ-133ГЯ). Симметричный межосевой дифференциал устанавливается в том случае, если момент между главными передачами распределяется поровну, как это имеет место у полноприводного двух­осного автомобиля (ВАЗ-2121) или равно- нагруженных мостов тележки трехосного автомобиля. Несимметричный дифференциал устанавливается в том случае вида моменты между мостами распре являются не поровну, как, например автомобилях «Урал-4320», где на груз в на передний мост составляет пример » 40 % нагрузки на заднюю тележку. В качестве межосевых применяются дифференциалы как конические, так и цылиндрнческие планетарного типа.

Межбортовые дифференциалы используются в специальных многоприводных автомобилях. Такие дифференциалы при­меняются при трансмиссиях, размещенных бортам автомобиля; они распределяют моменты поровну между бортами. В та­нк трансмиссиях, кроме того, иногда усиливаются по бортам межосевые дифференциалы.

Принудительную блокировку дифференциалов используют для повышения проходимости автомобиля. В некоторых кон­струкциях принудительно блокируется только межосевой дифференциал (КамАЗ- 5320), а иногда принудительно блоки­руется как колесный, так и межосе­вой дифференциалы. Например, в авто­мобиле КАЗ-4540 наряду с межосевым принудительно блокируется и дифференци­ал заднего моста. В автомобиле «Магирус-290» с колесной формулой 6x4 принудительно блокируются межосевой дифференциал и оба дифференциала зад­ней тележки. Принудительная блокиров­ка обычно осуществляется с места водителя электропневматическим приво­дом.

Самоблокирующиеся межколесные или межосевые дифференциалы устанавлива­ют также для повышения проходимости как легковых, так и грузовых и спе­циальных автомобилей.

Наименьшее распространение получи­ли самоблокирующиеся пульсирующие дифференциалы из-за их малой эффек­тивности.

Несколько большее распространение по­лучили самоблокирующие дифференциалы свободного хода. В частности, наряду с другими типами дифференциалов они применяются на автомобиле МАЗ-7310 и других восьми колесных автомобилях.

Наибольшее распространение получили дифференциалы повышенного трения раз­личных конструкций. Они установлены на советских автомобилях ГАЗ-66 и на всех модификациях четырехосных автомобилей МАЗ. Некоторые конструкции дифферен­циалов повышенного трения используют для легковых автомобилей высокого клас­са.

Кинематические связи. Дифференциалы, применяемые в автомобилях, представля­ют собой трехзвенные планетарные меха­низмы с двумя степенями свободы. Тремя звеньями дифференциала являются: водило (корпус дифференциала), сателли­ты, полуосевые шестерни. Для вывода уравнения кинематики диф­ференциала пользуются обычным для пла­нетарного механизма приемом остановки водила. Тогда внутреннее передаточное число

Р=z₁/z₂=(ω₁-ω_д)/(ω₂-ω_д)

где z₁, z₂ — числа зубьев полуосевых шестерен; ω₁ ω₂ — угловые ско­рости полуосевых шестерен и корпуса дифференциала.

После простейших преобразований по­лучим уравнение кинематики дифферен­циала

ω₁-p ω₂=(1-p) ω_д

Если внутреннее передаточное число или, как его называют, кинематический параметр р= — 1, z₁= z₂, то дифференциал симметричный (знак «—> указывает на вращение выходных валов в разные стороны при остановленном водиле. Если кинематический параметр то дифференциал несимметричный.

Силовые соотношения. Из условия равновесия внешних моментов, приложен­ных к дифференциалу, следует:

М₁+М₂=М_д

Коэффициент блокировки. Отношение момента на отстающем валу к моменту на забегающем валу характеризует рас­пределение крутящих моментов между полуосями или мостами и называется ко­эффициентом блокировки:

К₀=Мо_Т/М_заб

В зависимости от типа дифференциала К₀=1...: К₀ = 0 при М_от = М₃аб, К₀ = — ∞ при М_заб=0.

Иногда под коэффициентом блокировки понимают отношение момента трения в дифференциале к моменту на коробке дифференциала

К₀=М_г/М_д

Влияние дифференциала на проходи­мость автомобиля. Существенным недо­статком симметричного дифференциала является снижение проходимости авто­мобиля, если одно его колесо попадает в условия малого сцепления с опорной поверхностью.

Влияние дифференциала на устойчи­вость автомобиля. Симметричный диффе­ренциал с коэффициентом блокировки К₀= 1 в большинстве случаев обеспе­чивает автомобилю хорошую устойчи­вость. В частности, на дорогах с низ­ким коэффициентом сцепления движение автомобиля в этом случае устойчиво в результате равенства тангенциальных ре­акций, благодаря чему отсутствует пово­рачивающий момент, вызывающий занос.

При торможении автомобиля на до­рогах с низким коэффициентом сцепле­ния рекомендуется тормозить двигателем, так как тогда тормозной момент двигателя, увеличенный за счет передаточного числа трансмиссии, распределяется поровну между колесами, что предотвращает за­нос автомобиля.

При движении автомобиля по той же дороге с заблокированным дифференциалом разность тангенциальных усилий, обу­словленная разными коэффициентами сце­пления колес с дорожной поверхностью, приводит к появлению свободного (неурав­новешенного) момента, вследствие чего нарушается устойчивость автомобиля и за­трудняется управляемость.

Неуравновешенный момент является причиной возникновения на колесах боко­вых сил, а вместе с тем их увода, что вызывает отклонение автомобиля от прямолинейного направления движения.

В то же время движение автомобиля с заблокированным или самоблокирую­щимся дифференциалом в тяговом режи­ме на повороте более устойчиво, так как на отстающем, внутреннем по отношению к центру поворота колесе возникает боль­шая тангенциальная реакция, чем на внеш­нем забегающем. При этом создается момент, препятствующий заносу.

АНАЛИЗ И ОЦЕНКА КОНСТРУКЦИЙ ДИФФЕРЕНЦИАЛОВ

Симметричный конический дифференциал. Симметричные конические диффе­ренциалы наиболее распространенные (их часто называют простыми). Применяются они как на легковых, так и грузовых автомобилях, в качестве межколесных, а иногда и межосевых дифференциалов.

Механизм дифференциала включает корпус, сателлиты и ось сателлитов или в крестовину, полуосевые шестерни. Число сателлитов в дифференциалах легковых автомобилей два, грузовых — четыре. В редких конструкциях встречаются три са­теллита. Дифференциалы с двумя сател­литами 2 (рис. 119, а) имеют неразъ­емный корпус , что придает ему боль­шую жесткость. Для сборки дифферен­циала корпус имеет окна. Дифферен­циалы с четырьмя сателлитами (рис. 119, б) имеют разъемный корпус, с разъе­мом по оси сателлитов. Обе части кор­пуса скрепляются болтами. Для уменьше­ния трения трущиеся поверхности обычно разъединяются антифрикционными шай­бами 4. Поэтому с достаточным при­ближением можно считать, что для такого дифференциала К₀=1. Торцовые поверх­ности сателлитов, так же как внутрен­няя поверхность корпуса, в большинстве дифференциалов выполняются сфериче­скими, что способствует центрированию сателлитов на осях и более точному за­цеплению с полуосевыми шестернями 3. Регламентированные значения посадочных зазоров допускают возможность такого центрирования. Для обеспечения смазки сателлитов оси в месте посадки сател­литов должны иметь лыски или спи­ральные канавки, удерживающие масло.

Сателлиты и полуосевые шестерни выполняются прямозубыми. Число зубьев сателлитов и полуосевых шестерен мо­жет быть четным и нечетным, но для обеспечения сборки должно подчиняться условию

2z_m/n= k,

где z_m — число зубьев полуосевой шес­терни; n — число сателлитов, k — целое число.

К преимуществам простого конического дифференциала следует отнести:

обеспечение устойчивости при движе­нии по скользкой дороге и торможении двигателем благодаря равенству танген­циальных реакций на ведущих колесах;

простоту устройства, малые размеры и массу, надежность, высокий КПД.

Отрицательным качеством является ог­раничение проходимости

Симметричный цилиндрический диффе­ренциал. В качестве примера на рис. 120 показан меж колесный симметричный

Ряс. 119. Симметричные конические дифферен­тами

Рис. 120. Главная передача автомобилей «Татра» с цилиндрическим дифференциалом

цилиндрический дифференциал, установлен­ный в главной передаче многопривод­ного автомобиля «Татра». Крутящий момент от ведущего вала передается на корпус дифференциала (водило), оттуда — через попарно связанные между собой сателлиты 2 — на две цилиндри­ческие шестерни 6 и 7. Шестерни вы­полнены полыми и связаны с двумя ко­ническими шестернями главных передач 3 п 4. Внутри них проходит вал 5 при­вода следующего ведущего моста. Кон­струкция достаточно сложная, включает в себя две главные передачи, имеющие неодинаковые размеры, но одинаковые пе­редаточные числа. Полуоси расположены со смещением одна относительно другой.

Цилиндрический дифференциал имеет небольшие размеры, так как он разме­щается перед главной передачей. При обычном размещении дифференциала, пос­ле главной передачи, его размеры должны быть больше, чем у конического диф­ференциала, рассчитанного на передачу такого же момента. Цилиндрический диф­ференциал имеет большее число зубчатых колес, чем конический, более сложен в изготовлении, чем объясняется его срав­нительно редкое применение в качестве межколесного дифференциала.

Межосевые дифференциалы. Симмет­ричные межосевые дифференциалы, ус­танавливаемые между равнонагруженными мостами автомобилей повышенной и высокой проходимости, выполняют обыч­но коническими с возможностью бло­кировки с места водителя. Как было от­мечено выше, их устанавливают или в раздаточной коробке (ВАЗ-2121), или на промежуточном мосту трехосного автомо­биля (КамАЗ-5320) в приводе главной передачи. Применение межосевого диффе­ренциала исключает циркуляцию мощнос­ти, которая особенно сильно нагружа­ет трансмиссию при движении по доро­гам с гладкой поверхностью и тем боль­ше, чем больше разница радиусов каче­ния колес. Так, при разнице радиусов качения 7...8 мм нагружение трансмис­сии крутящим моментом увеличивается в 2 раза.

Несимметричные межосевые дифферен­циалы, устанавливаемые в раздаточных коробках и распределяющие крутящие мо­менты соответственно массам, приходя­щимся на ведущие мосты, выполняют главным образом цилиндрическими плане­тарными. На рис. 51 был показан меж- осевой дифференциал, размещенный в раз­даточной коробке трехосного автомобиля КамАЭ-4310, распределяющий крутящие моменты между передним мостом и задней тележкой. Внутреннее передаточное число (кинематический параметр р) этого диф­ференциала равно отношению числа зу­бьев эпициклического колеса к числу зубьев солнечного колеса. Как в данной конструкции, так н во всех конструкциях межосевых дифференциалов предусматри­вается его принудительная блокировка.

При принудительной блокировке диф­ференциала все его элементы' вращаются как одно целое и коэффициент бло­кировки /С«=оо. Момент включения бло­кирующего устройства определяется води­телем, что не всегда оптимально: если не выключена блокировка при движении по хорошей дороге, наблюдается уско­ренное изнашивание шин; на дороге с неоднородным коэффициентом сцепления возможна потеря устойчивости. Блоки­рующее устройство водитель включает непосредственно или дистанционно (пнев­матический или электропневматический привод). При принудительной блокировке меж колесного дифференциала в неблаго­приятных условиях (одно колесо вывеше­но) весь момент передается на одну полу­ось, которая должна быть на это рас­считана.

Различные конструкции блокирующих устройств показаны на рис. 121. В ав­томобилях старых выпусков применялась блокировка при помощи зубчатой муфты, установленной на удлиненных шлицах од­ной полуоси (рис. 121, а). Для блоки­рования дифференциала зубчатая муфта / должна быть в зацеплении с зубча­тым венцом 2, нарезанным на удли­ненном конце корпуса дифференциала. При такой конструкции полуоси невза­имозаменяемы.

Взаимозаменяемость полуосей сохраня­ется в конструкции, показанной на рис. 121,6. Здесь свободно сидящая на рукаве корпуса дифференциала муфта /, в кото­рой закреплены пальцы 3, входящие в его отверстия, вращается вместе с корпусом дифференциала. При перемеще­нии муфты пальцы входят в отверстия 4, выполненные в одной из полуосе­вых шестерен, вследствие чего дифферен­циал блокируется. Для совмещения паль­цев отверстиями в полуосевой шестерне включать блокировку следует при движе­нии на повороте, когда полуосевые шес­терни поворачиваются относительно кор­пуса дифференциала.

Более сложное устройство блокировки межколесного дифференциала заднего моста у автомобиля КАЗ-4540 (рис. 121, в). В этой конструкции на полуоси свобод­но сидит втулка 5 с закрепленными в ее торце пальцами 6. Пальцы сво­бодно проходят в отверстия полуосевой шестерни. На удлиненном шлифованном конце полуоси сидит шлицевая муфта 7, с нарезанными на торце зубьями. Такие же зубья нарезаны на торце полуосе­вой шестерни. При перемещении пнев­моприводом втулки с пальцами послед­ние включают шлицевую муфту и диф­ференциал блокируется. Конструкция до­статочно сложная.

Самоблоккрующиеся дифференциалы. Из многочисленных конструкций пульси­рующих дифференциалов, имеющихся в патентной литературе, применение полу­чил лишь шестеренный конический диф­ференциал.

Шестеренный конический пульсирующий дифференциал включает те же детали, что и простой конический дифференциал. Отличие — в профиле зубьев. В обычном эвольвентном зацеплении зубчатых колес окружное усилие всегда постоянно по величине независимо от относительного положения зубьев за цепляющих я зубча­тых колес, так как линия зацепления имеет постоянный наклон и положение полюса зацепления также постоянно. Поэтому в простом коническом дифференциале чис­ло зубьев сателлита может быть четным или нечетным, а сателлит как равно­плечая балка всегда делит поровну под­водимое к нему усилие, передаваемое на полуосевые шестерни.

В пульсирующем коническом дифференциале профиль зуба сателлитов и полуосе­вых шестерен специальный: линия зацеп­ления в процессе зацепления меняет наклон, полюс зацепления не остается на месте, а окружное усилие р рас­пределяется (силы Р₁ и Р₂) в зави­симости от относительного положения зубьев. При этом меняется передаточное число пары сателлит—полуосевая шес­терня. Передаточное число имеет мак­симальное значение при контакте ножи зуба с головкой зуба полуосевой шес­терни (рис. 122), минимальное значение — при контакте головки зуба сател­лита с ножкой зуба полуосевой шес­терни. Число зубьев сателлита обязатель­но должно быть нечетным. Этим обе­спечивается различие в условиях зацеп­ления сателлита с правой и левой по­луосями, а следовательно, возможность передачи на полуоси неравных моментов при неподвижном сателлите и пульси­рующих при вращающемся. При буксо­вании одного из колес пульсирующий момент на небуксующем колесе может в некоторых условиях обеспечить движе­ние автомобиля.

Коэффициент блокировки пульсирующе­го дифференциала переменный (К₀<2... 2,5). За поворот сателлита на один зуб отношение моментов на полуосях меняется от К₀=М_мах/М_мин до 1/К₀=М_мин/М_мак

Недостаточная величина коэффициента блокировки, не обеспечивающая значи­тельного повышения проходимости, явля­ется одной из причин, ограничивающих его применение, несмотря на то что из всех конструкций самоблокирующихся диффе­ренциалов он самый простой и обла­дает высоким КПД. Следует также учи­тывать, что при вращении сателлита соз­дается пульсация момента в трансмис­сии, что также ограничивает допусти­мую величину коэффициента блокировки дифференциала. Условия сборки пульсиру­ющего дифференциала такие же, как у простого конического.

Рис. 121. Различные конструкции устройств принудительной блокировки дифференциала