Шестеренчатые дифференциалы

Шестеренчатый дифференциал -это планетарный механизм с двумя степенями свободы. В изображенной на рис. 1 конструкции конического дифференциала крутящий момент с корпуса, являющегося водилом пла­нетарного механизма, через свободно вращающиеся на своих осях сателлиты 1 передается шестерням 2 выходных валов. Скорость вращения выходных валов не зависит однозначно от уг­ловой скорости корпуса дифферен­циала.

Если такой дифференциал исполь­зовать в качестве межколесного, то при движении автомобиля уг­ловые скорости колес будут определяться соотношением путей, про­ходимых колесами, и их радиусами качения (при отсутствии сколь­жения колес, естественно). Единственное кинематическое ограни­чение таково: насколько один выходной вал обгоняет корпус, настолько другой отстает от него. В дифференциалах легковых ав­томобилей сателлитов обычно два, и установлены они на общей оси. В дифференциалах тяжелых автомобилей устанавливают по четыре сателлита, а их оси объединяют в виде крестовины (3 на рис. 1).

На рис. 2 показана схема цилинд­рического шестеренчатого дифферен­циала. Здесь в корпусе установлены сдвоенные сателлиты, каждый из ко­торых зацеплен с шестерней одного из выходных валов и с другим сател­литом пары. Таких пар сателлитов ус­танавливают обычно три. Цилиндри­ческие дифференциалы такого типа, наряду с коническими, применяются иногда в качестве межосевых. Ори-

Рис. 2. Цилиндрический дифференциал

гинальная конструктивная схема межколесного цилиндрического дифференциала приведена на рис. 3. Крутящий момент подводится не к водилу дифференциала, как в описанных выше конструкциях, а к эпициклическому колесу 3. Водило 5, объединяющее три пары сателлитов 4, связано с правым колесом, солнечное колесо 2 при помощи вала 6, расположенного ниже поддона двигателя 7, со­единено с левым колесом. Радиус солнечного колеса Л2 вдвое меньше радиуса эпициклического колеса Л3. При этом соотношении ра­диусов кинематические и силовые свойства данного дифференциала аналогичны свойствам конструкций симметричных дифференциа­лов, описанных ранее. Особенностью рассмотренного дифферен­циала являются малые осевые размеры, вследствие чего его при­меняют для преодоления компоновочных сложностей.

Если на рис. 1 по штрих-пунктирным линиям I условно от­бросить неработающие сегменты сателлитов, то оставшуюся часть с двумя находящимися в зацеплении зубьями можно представить как равноплечую балку, для которой справедливы выражения:

Если учесть, что шестерни выходных валов имеют одинаковые радиусы, то из этого следует важный вывод: дифференциал рас­пределяет крутящие моменты между выходными валами поровну. Как при этом будут соотноситься угловые скорости выходных валов, то есть будут ли вращаться сателлиты вокруг своих осей или нет, не имеет никакого значения. В принципе выходные валы могут вращаться в противоположных направлениях, но и это не нарушит справедливости приведенных выше уравнений.

В связи с тем, что при составлении равенств не были учтены моменты трения шестерен дифференциала об опоры и между собой, то вывод о равенстве моментов на выходных валах, строго говоря, несправедлив, причем несправедлив именно на величину соотно-

Рис. 3. Привод ведущих колес с цилиндрическим межко­лесным дифференциалом

шения между суммарным моментом трения и полезным моментом. Их соотношение таково, что в обычных шестеренчатых дифферен­циалах крутящий момент на одном из выходных валов может пре­вышать момент на другом на 3—7%. Эта разница невелика, поэтому для практических рассуждений сделанный ранее вывод может быть признан правильным.

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 для блокиров­ки, например, как показано на рис. 4, зубчатой муфтой /, которая способна соединить один из выходных валов с коробкой дифференциала (водилом) 2, 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 случаев это 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).

Рис. 4. Блокируемый межколесный дифференциал

Блокировка межколесных дифференциалов в силу указанных причин применяется сравнительно редко, тогда как для межосевых и межбортовых дифференциалов конструкция, снабженная меха­низмом блокировки, является наиболее типичной. Примеры пока­заны на рис. 7.4 к рис. 7.5.

Для получения разных крутящих моментов на выходных валах не всегда необходимо снабжать дифференциал механизмом блокировки. Если искусственно увеличить трение в дифферен­циале, то при распределении им мощности между выходными валами момент на отстающем валу может в несколько раз превышать момент на забегающем. Отношение этих моментов называется коэффициентом блокировки дифференциала - К6. Следует отметить, что относительное вращение выходных валов такого дифференциала оказывается возможным только тогда, когда определяемая внешними условиями разница моментов на них становится равной моменту трения в дифференциале. При меньшей разнице моментов дифференциал оказывается заблоки­рованным.

На рис. 5 показана конструкция, в которой для повышения трения в дифференциале используется много­дисковая фрикционная муфта, обес­печивающая постоянный момент тре­ния. Такая конструкция характери­зуется переменной величиной К§. с уменьшением подводимого к диффе­ренциалу крутящего момента коэф­фициент блокировки возрастает и при небольших моментах может достигать значений, равных нескольким десят­кам, что практически эквивалентно

блокировке дифференциала со всеми отрицательными последст­виями.

В конструкции, изображенной на рис. 6, осевая сила, сжи­мающая пакет фрикционных дисков, пропорциональна величине передаваемого дифференциалом крутящего момента, что обеспечи­вает постоянство значения коэффициента блокировки. Конструк­тивно это обеспечивается расположенными на корпусе дифферен­циала наклонными поверхностями /, которые, взаимодействуя с наклонными же поверхностями 2 на осях сателлитов, прикладывают к ним осевую силу, пропорциональную крутящему моменту (трением на этих поверхностях можно пренебречь). Эта осевая сила передается сначала на сателлиты, а затем через их цилиндрическую наружную поверхность, минуя зубья, на нажимные диски 3. Кроме того, на величину усилия, сжимающего пакет дисков, влияет осевая сила,

Рис. 5. Дифференциал с посто­янным моментом трения

Рис. 6. Дифференциал с постоянным коэф­фициентом блокировки

возникающая в зацеплении шестерен выходных валов с сателлитами. Оси сателлитов в такой конструкции приходится делать индиви­дуальными для каждой пары сателлитов.

Иногда фрикционные диски распола­гают между сателлитами и корпусом диф­ференциала. В случаях, не требующих большого коэффициента блокировки, вме­сто набора дисков используют, как пока­зано на рис. 7, коническую фрикционную муфту.

Оценивая работу дифференциала в раз­личных эксплуатационных ситуациях, можно прийти к выводу, что рациональная с точки зрения обеспечения необходимых тяговых свойств и проходимости автомо­биля величина коэффициента блокировки А'д должна быть порядка 4—6. Однако при выборе параметров дифференциалов при­ходится учитывать их влияние и на другие

эксплуатационные свойства, в том числе на управляемость, устой­чивость, расход топлива, долговечность шин.

Увеличение момента трения в дифференциале пропорционально подводимому к нему крутящему моменту в некоторых эксплуата­ционных ситуациях может быть вредным. Например, автомобиль движется вверх по крутой горной дороге, обеспечивающей высокое сцепление колес с ее поверхностью и изобилующей крутыми по­воротами. В этом случае к корпусу межколесного дифференциала будет подводиться большой крутящий момент, который будет со-

Рис. 7. Вариант конструк­ции дифференциала с посто­янным коэффициентом бло­кировки

Рис. 8. Дифференциал с уменьшающимся при увели­чении передаваемого момен­та трением

провождаться большим моментом трения. В таком случае, в условиях хорошего и одинакового сцепления колес с дорогой, трение в диф­ференциале не способствует повышению проходимости и весьма вредно с точки зрения его управляемости. Для устранения этого недостатка иногда применяют конструкции, в которых мо­мент трения обратно пропорционален подводимому к дифференциалу крутяще­му моменту. В показанной на рис. 8 кон­струкции на конические фрикционные муфты 1 действует сила тарельчатых пру­жин 2, обуславливающая сжатие фрик­ционных поверхностей. С другой сторо­ны, на диск 4 действует опорная сила шестерен 3 выходных валов, пропорци­ональная силам, имеющимся в зацепле­нии зубьев. По мере увеличения крутя­щего момента увеличиваются силы, дей­ствующие в зацеплении, и, следовательно, опорные силы шестерен, которые ослабляют сжатие фрикционных поверхностей, уменьшая момент трения. Однако в таких конструк­циях имеется излишний момент трения при малых величинах под­водимого крутящего момента.

Существуют конструкции так назы­ваемых «пульсирующих» дифференциа­лов. Рис. 9 иллюстрирует принцип ра­боты такого дифференциала. В отличие от ранее рассмотренных конструкций, в «пульсирующем» дифференциале, благо­даря специальному профилю зубьев са­теллитов и шестерен выходных валов, при их относительном вращении, соотноше­ние плечей «а» и «в», на которых сила передается с сателлитов на шестерни, не­прерывно изменяется. При применении такого механизма в качестве межколес­ного дифференциала при буксовании од­ного из колес величины крутящих мо­ментов на колесах пульсируют, и колесо, имеющее лучшее сцепление с дорогой, периодически получая увеличенный кру­тящий момент, способствует движению автомобиля. Однако отношение максимального и минимального крутящих моментов на выходных валах в таких дифференциалах невелико (1,25—1,5), и они не получили большого распространения.

Рис. 9. Схема работы «пульсирующего» шестерен­чатого дифференциала