Дифференциалы и приводы ведущих колес

При движении автомобиля по неровной дороге или при повороте колеса должны проходить разные по величине пути. Разность путей, проходимых колесами будет компенсировать проскальзыванием или пробуксовыванием их относительно дороги, вызывая интенсивный износ шин.

Такое же явление возможно при движении по ровной дороге при разных по величине радиусах ведущих колес. Радиусы колес могут быть неодинаковыми вследствие неравномерного износа протекторов, различного давления или несимметричного приложения нагрузки. Это сопровождается не только износом шин, но и деталей, связывающих ведущие колеса и мосты, перерасходом топлива в связи с затратой дополнительной мощности двигателя на пробуксовку колес. Для устранения подобных явлений в трансмиссии автомобиля дифференциальный механизм, который осуществляет распределение крутящих моментов между колесами и мостами автомобиля в соответствующей пропорции и позволяет им вращаться с различной угловой частотой, называется дифференциалом.

Таким образом дифференциал – механизм трансмиссии автомобиля, распределяющийся подводимый к нему крутящий момент между выходными валами и позволяющий им вращаться с неодинаковыми скоростями. Дифференциал устанавливают в узлах деления мощности, когда требуется, чтобы на участке трансмиссии за этим узлом отсутствовала циркуляция мощности. Машиной высокой проходимости используются межколесные, межосевые, межбортовые дифференциалы.

В зависимости от характера распределения крутящего момента дифференциала делят на симметричные, несимметричные и блокируемые (с принудительной блокировкой или самоблокирующиеся).

По конструкции передач различают дифференциал шестеренчатые, кулачковые, червячные и с механизмом свободного хода.

Межосевые дифференциалы могут быть симметричные и несимметричные. Межколесный дифференциал всегда симметричный (числа зубьев полуосевых зубчатых колес равна между собой) и в условии небольшого внутреннего трения распределяет крутящий момент поровну между полуосями.

Шестеренчатый дифференциал представляет собой планетарный механизм, состоящий из ведущего звена (водила), полуосевых зубчатых колес и сателлитов. Различают дифференциалы с коническими и цилиндрическими шестернями. Наибольшее распространение, как более простые получили конические дифференциалы.

Схемы дифференциалов.

Рассмотрим схему работы симметричного дифференциала с коническими зубчатыми колесами. На корпусе дифференциала (4) установлено ведомое коническое зубчатое колесо главной передачи (5). Внутри корпуса свободно размещены две конические шестерни (1 и 2), связанных шлицами с валами ведущих колес. И несколько зубчатых колес (3), называемых сателлитами, которые входят в зацепление с полуосевыми шестернями и могут свободно вращаться на цапфах крестовины (6), которая жестко соединена с корпусом дифференциала (4).

Когда автомобиль движется прямо и по ровной дороге, оба ведущих колеса встречают одинаковое сопротивление вращению. В этом случае частота их вращения равна частоте вращения корпуса дифференциала, сателлиты 1 и 2 вокруг своей оси не вращаются.

Когда сопротивление вращению одного из ведущих колес возрастает, то его вращение вместе с валом и коническим зубчатым колесом замедляется. Предположим что замедлилось вращение 2 полуосевой шестерни. Корпус дифференциала вращаясь с постоянной частотой, начинает обгонять отстающее колесо и воздействуя на сателлиты, обкатывает по зубьям этого колеса. Сателлиты начинают вращаться вокруг своей оси и дополнительно поворачивают коническое колесо 1 и связанное колесо, увеличивая частоту вращения этого колеса. Вращающиеся сателлиты ускоряют вращение одного колеса настолько, насколько замедлилось вращение другого колеса.

Свойство дифференциала обеспечивать возможность вращения ведущих колес с разными частотами по принципу наименьшего действия оказывают и отрицательное влияние. Например, при большем сопротивлении движению и разных силах трения колеса о почву дифференциала легче вращать колесо, у которого сила трения и почву (сцепления) меньше. Поэтому колесо, которое трудно вращать и катать, останавливается, а второе буксирует (вращается вдвое быстрее). Для устранения этого недостатка и применяют различные механизмы блокировки – выключения дифференциала.

 

Кинематика и динамика дифференциала

 

Основу любого дифференциала составляет планетарный трехзвенник с внутренним, внешним и смешанным зацеплением шестерен. Сателлит входит в зацепление с солнечной, имеющей внешние зубья, и коронной шестерню, имеющей внутренние зубья.

Рассмотрим частный случай несимметричного дифференциала. Примем, что частота вращения корпуса дифференциала , вала I - и вала II - . Определим зависимость между входной частотой вращения и двумя выходными и частотами.

Допустим, что частота вращения вала I больше, а вала II меньше частоты вращения дифференциала. Зубчатое колесо 1 относительно корпуса дифференциала поворачивается на зубьев в 1 минуту, зубчатое колесо 2 – на . Так как зубчатые колеса 1 и 2 связаны сателлитами, то соотношение чисел зубьев должны быть следующими:

.

.

Это уравнение называется основным уравнением кинематики зубчатых и кулачковых дифференциалов. Для симметричного дифференциала , в этом случае уравнение кинематики применяет вид:

.

Динамика дифференциала

Определим крутящие моменты на выходных валах. Входной момент на корпусе дифференциала , момент на первом валу и на втором валу . Необходимо установить зависимость между этими тремя моментами.

Сумма трех внешних моментов, действующих на дифференциал, должна быть равна 0 при . В тоже время при работе дифференциала имеются потери на трение. Поэтому баланс мощностей для дифференциала имеет вид:

,

где - мощности на валах I и II;

- мощность, которая теряется в дифференциале.

Так как мощность равна произведению крутящего момента на частоту вращения, то:

,

где - момент трения, определяющий разность частот вращения валов и

мощностью .

Совместное решение уравнений позволяет найти моменты на валах I и II:

;

.

Если частоты вращения заменить числами зубьев, то:

;

.

Данное уравнение называют основным уравнением динамики дифференциала. Из уравнения видно, что момент на валу I, частота вращения которого больше частоты вращения корпуса дифференциала, меньше на величину , а момент на II валу больше на величину . Следовательно, для повышения проходимости необходимо увеличить момент трения в дифференциале. В тоже время при возрастании этого момента снижается К.П.Д. дифференциала при движении по дорогам с постоянным коэффициентом сцепления.

Основы расчета элементов дифференциала

Зубчатые колеса шестеренчатых дифференциалов рассчитывается на прочность при положении максимального динамического момента к корпусу (водилу) дифференциала. Зубья зубчатых колес дифференциала на циклическую усталость не рассчитывают.

Тип крестовины рассчитывают на смятие и срез. Напряжение на смятие не должно превышать 100 МПа, а на срез 120 МПа.

Диаметр типа крестовины:

,

где - коэффициент равномерности распределения нагрузки между сателлитами;

- число сателлитов;

- расстояние от центра крестовины до середины сателлита (полуосевой шестерни);

- допустимое давление между шинами и сателлитами; МПа – для легковых автомобилей, МПа – для грузовых.

Давление между торцом сателлита и корпусом дифференциала:

,

где - наружный диаметр опорной поверхности торца сателлита;

- угол зацепления;

- угол делительного конуса сателлита.

Значение не должно превышать 200 МПа.

Влияние дифференциала на проходимость

При движении автомобиля по неровной дороге или при повороте колеса должны проходить разные по величине пути. Механизм, который осуществляет распределение крутящих моментов между колесами и мостами автомобиля в соответствующей пропорции и позволяет им вращаться с различной угловой частотой, называется дифференциалом.

Дифференциалы бывают с коническими и цилиндрическими шестернями. Дифференциал устраняет вредные явления износа шин и деталей трансмиссии и повышения расхода топлива, но ухудшает проходимость автомобиля. Для автомобилей, работающих в трудных дорожных условиях и вне дорог, применяется блокировка дифференциала для устранения их отрицательного влияния на проходимость.

Крутящий момент от дифференциала передается к ведущим колесам с помощью валов, называемых полуосями.

 

Механизм управления колесных машин

Рулевое устройство обеспечивает изменение и поддержание направления движения лесной колесной машины и маневрирование ею.

Рулевые устройства должны обладать:

- правильной кинематикой поворота с обеспечением качения колес по концентрическим окружностям;

- высоким К.П.Д.;

- высокой надежностью действия и безотказности в работе;

- ощущение водителем сопротивления повороту;

- хорошей курсовой устойчивостью;

- точностью отслеживания действий водителя.

 

Классифицируются:

- по конструкции рулевого механизма: червячный, комбинированный;

- по конструкции рулевого привода: к управляемым колесам, к управляемым осям;

- по принципу действия усилителя: гидравлический и пневматический.

Рулевое устройство состоит из рулевого механизма и рулевого привода. Рулевой механизм с редуктором увеличивает подводимый к управляемым колесам поворачивающего момента. Рулевой привод предназначен для передачи поворота управляемых колес и обеспечения правильной кинематики движения на повороте.

Гидроусилитель руля позволяет обеспечить управление, смягчить удары на рулевое колесо от неровностей дороги, сократить время поворота и сохранить устойчивость прямолинейного движения при проколе шины переднего колеса.

 

Механизм поворота гусеничных машин

 

Механизм поворота служит для изменения крутящего момента, подводимого к ведущим звездочкам, и обеспечения различных поступательных скоростей левой и правой гусениц.

Механизмы поворота классифицируют:

- по методу подвода мощности: однопоточные, двухпоточные и с раздельным подводом мощности к каждой гусенице;

- по числу фиксированных радиусов поворота: одноступенчатые, многоступенчатые и бесступенчатые;

- по типу механического поворота: многодисковые фрикционные муфты, плечнстарные механические повороты, простые и двойные дифференциалы.

Требования предъявляемые: обеспечения устойчивого прямолинейного движения трактора, возможно меньший радиус поворота, плавный переход от прямолинейного движения к повороту, минимальные внутренние потери в механизме, отсутствие дополнительной загрузки двигателя, хороший отвод тепла от поверхности трения, надежное удержание трактора на его длительной стоянке на подъеме или спуске.

В тракторах применение получили сухие многодисковые фрикционные муфты поворота и ПМП. Для обеспечения механического поворота в его привод вводятся гидравлические усилители.