Кулачковый дифференциал – Как работает дифференциал при движении автомобиля. Дифференциалы автомобилей — типы

Содержание

Кулачковый дифференциал повышенного трения.


Кулачковый дифференциал




Кулачковый дифференциал, в отличие от конического, обладает повышенным внутренним трением. Это позволяет рациональнее распределять тяговые силы между ведущими колесами, имеющими разные силы сцепления с дорогой, и практически исключить их раздельное буксование. При этом распределение сил тяги на ведущих колесах дифференцируется автоматически, без участия водителя и характеризуется коэффициентом блокировки:

Кб = Мотобг,

где Мот – момент на отстающем валу; Мобг – момент на обгоняющем валу.

Кулачковые дифференциалы могут выполняться с горизонтально или радиально расположенными сухарями. Сухари могут размещаться в один или два ряда, выполняя функции сателлитов обычных конических дифференциалов. При однорядном размещении сухарей число кулачков на полуосевых звездочках должно быть разным для того, чтобы при этом хотя бы один сухарь передавал усилие.

При двухрядном размещении сухарей число кулачков на звездочках одинаковое, но один ряд сухарей смещен относительно другого на половину шага кулачков, чтобы исключить пульсацию передаваемого крутящего момента.

Двухрядный кулачковый дифференциал применяется на автомобиле ГАЗ-66-11 (рис. 1, а). Он устанавливается на двух конических подшипниках в картере главой передачи и состоит из чашки 4, сепаратора 2, внутренней звездочки 1, наружной звездочки 3, двадцати четырех сухарей 5.

Сепаратор 2 имеет два ряда отверстий, в которых размещаются сухари 5. От выпадения из сепаратора и проворачивания вокруг своих осей сухари удерживаются кольцами. Сепаратор 2 вместе с чашкой 4 крепится к ведомому зубчатому колесу главной передачи и образует корпус дифференциала.
Наружная звездочка 3 имеет на внутренней поверхности шесть равномерно распложенных кулачков. Она устанавливается свободно внутри чашки и соединяется шлицами с полуосью.

Внутренняя звездочка 1 имеет на внешней поверхности два ряда по шесть кулачков, расположенных в шахматном порядке. Эта звездочка находится в отверстии сепаратора и соединяется шлицами со второй полуосью.

В рабочем положении детали дифференциала устанавливаются таким образом, что сухари соприкасаются с кулачками наружной и внутренней звездочек.

Дифференциал работает следующим образом (рис. 1, б).
При движении автомобиля по ровной дороге все детали дифференциала вращаются вокруг обшей оси как одно целое, при этом угловые скорости колесных валов и корпуса дифференциала равны между собой. Сухари относительно сепаратора не перемещаются.



Крутящий момент передается от ведомого зубчатого колеса главной передачи на сепаратор 2, с него на сухари 5, которые давят на кулачки звездочек 1 и 3, приводя их во вращение. Сила нормального давления сухарей на кулачки наружной и внутренней звездочек одинакова, но окружные силы

Р, вращающие звездочки, вследствие разных углов наклона профилей кулачков на звездочках разные.

На внутренней звездочке, имеющей больший угол наклона кулачков, окружная сила больше, чем на наружной. Бóльшая окружная сила, приложенная на меньшем радиусе наружной звездочки, дает такой же крутящий момент, как и меньшая окружная сила, действующая на бóльшем радиусе наружной звездочки.
Таким образом, крутящий момент при движении прямо по твердой дороге распределяется между колесами поровну.

При движении на повороте или по неровной дороге одно из колес начинает вращаться быстрее другого. Звездочка, соединенная с отстающим колесом, вращается медленнее. Своими кулачками она толкает сухари в сторону второй звездочки, ускоряя ее вращение, тем самым дифференциал позволяет колесам вращаться с разными угловыми скоростями.

При скольжении сухарей по кулачкам на их поверхности возникают силы трения Ртр. На звездочке, имеющей бóльшую скорость, сила трения направлена против вращения, притормаживая ее, а на отстающей звездочке – в сторону вращения, увеличивая тем самым окружную силу, в результате чего передаваемый на колесо крутящий момент возрастает в три-четыре раза.

К недостаткам кулачкового дифференциала по сравнению с коническим можно отнести:

  • сложность изготовления;
  • меньшие значения КПД из-за повышенного трения между деталями;
  • повышенное изнашивание из-за больших сил трения и контактных напряжений в деталях.

***

Самоблокирующиеся или автоматические дифференциалы



Как работает дифференциал при движении автомобиля. Дифференциалы автомобилей — типы

Механизм трансмиссии, распределяющий крутящий момент двигателя между ведущими колесами и ведущими мостами автомобиля, называется дифференциалом. Дифференциал служит для обеспечения ведущим мостам разной скорости вращения при движении автомобиля по неровным дорогам и на поворотах.

Разная скорость вращения ведущим колесам, проходящим разный путь на поворотах и неровных дорогах, необходима для их качения без скольжения и буксования. В противном случае повысится сопротивление движению автомобиля, увеличатся расход топлива и износ шин. В зависимости от типа и назначения автомобилей на них применяются различные типы дифференциалов (рисунок 1).

Рисунок 1 — Типы дифференциалов, классифицированных по различным признакам

Дифференциал, распределяющий крутящий момент двигателя между ведущими колесами автомобиля, называется

межколесным.

Дифференциал, который распределяет крутящий момент двигателя между ведущими мостами автомобиля, называется межосевым.

На большинстве автомобилей применяют конические дифференциалы, симметричные и малого трения.

Симметричный дифференциал распределяет поровну крутящий момент. Его передаточное число равно единице (uД = 1), т.е. полуосевые шестерни 3 и 4 (рисунок 2, а, б) имеют одинаковые диаметры и равное число зубьев. Симметричные дифференциалы применяются на автомобилях обычно в качестве межколесных и реже — межосевых, когда необходимо распределять крутящий момент поровну между ведущими мостами.

Рисунок 2 — Кинематические схемы шестеренных дифференциалов

а, б — симметричных; в, г — несимметричных; 1 — корпус, 2 — сателлит; 3, 4 — шестерни

Несимметричный дифференциал распределяет не поровну крутящий момент. Его передаточное число не равно единице, но постоянно (uД ≠ 1 = const), т.е. полуосевые шестерни 3 и 4 имеют неодинаковые диаметры и разное число зубьев. Несимметричные дифференциалы применяют, как правило, в качестве межосевых, когда необходимо распределять крутящий момент пропорционально нагрузкам, приходящимся на ведущие мосты.

Межколесный конический симметричный дифференциал (см. рисунок 2, а) состоит из корпуса 1, сателлитов 2, полуосевых шестерен 3 и 4, которые соединены полуосями с ведущими колесами автомобиля. Дифференциал легкового автомобиля имеет два свободно вращающихся сателлита, установленных на оси, закрепленной в корпусе дифференциала, а у грузового автомобиля — четыре сателлита, размещенных на шипах крестовины, также закрепленной в корпусе дифференциала.

Принцип работы дифференциала

Работу дифференциала при движении автомобиля поясняет рисунок 3.

При прямолинейном движении автомобиля по ровной дороге (рисунок 3, а) ведущие колеса одного моста проходят одинаковые пути, встречают одинаковое сопротивление движению и вращаются с одной и той же скоростью. При этом корпус дифференциала, сателлиты и полуосевые шестерни вращаются как одно целое. В этом случае сателлиты 3 не вращаются вокруг своих осей, заклинивают полуосевые шестерни 4 и на оба ведущих колеса передаются одинаковые крутящие моменты.

Рисунок 3 — Работа дифференциала при движении автомобиля

а — по прямой; б — на повороте; 1, 4 — шестерни; 2 — корпус; 3 — сателлит; 5 — полуось

При повороте автомобиля (рисунок 3, б) внутреннее по отношению к центру поворота колесо встречает большее сопротивление движению, чем наружное колеса, вращается медленнее, и вместе с ним замедляет свое вращение полуосевая шестерня внутреннего колеса. При этом сателлиты 3 начинают вращаться вокруг своих осей и ускоряют вращение полуосевой шестерни наружного колеса. В результате ведущие колеса вращаются с разными скоростями, что и необходимо при движении на повороте.

При движении автомобиля по неровной дороге ведущие колеса также встречают различные сопротивления и проходят разные пути. В соответствии с этим дифференциал обеспечивает им разную скорость вращения и качения без проскальзывания и буксования.

Одновременно с изменением скоростей вращения происходит изменение крутящего момента на ведущих колесах. При этом крутящий момент уменьшается на колесе, вращающемся с большей скоростью. Так

Блокировка дифференциала: самоблок

Конструкция и принцип работы трансмиссий современных автомобилей могут кардинально различаться между собой, тем не менее, ни одна из них не обходится без дифференциала. Он представляет собой часть главной передачи, предназначенную для разделения крутящего момента на две независимые ветви, на которых мощность и угловая скорость вращения могут варьироваться относительно друг друга.

Это позволяет компенсировать разницу расстояний, проходимых ведущими колесами автомобиля на поворотах, а значит – повысить управляемость, предотвратить пробуксовывание колес и ускоренный износ шин. Однако в классической механической конструкции дифференциала проявился ряд существенных недостатков, которые привели к разработке блокирующихся конструкций. Попробуем разобраться, для чего это нужно и как работает.

Предпосылки создания блокирующихся дифференциалов

Главной проблемой механического дифференциала, особенно опасной в случае тяжелых дорожных условий, стала возможность потери сцепления одним из ведущих колес. В таком случае происходит полное перераспределение мощности к вывешенному колесу, которое начинает свободно вращаться, а на сцепленное с поверхностью колесо поступает незначительный крутящий момент или не поступает вовсе. Чтобы бороться с этим, на первых раллийных автомобилях иногда просто заваривали дифференциал, исключая его из кинетической схемы трансмиссии. Позже появились комбинированные устройства, позволяющие временно отключать дифференциал по команде водителя – они получили название дифференциалов с ручной блокировкой.

Самоблокирующийся дифференциал

Революционным шагом в развитии автомобилестроения стало появление самоблокирующихся дифференциалов. В силу своих конструктивных особенностей они способны в автономном режиме изменять характер своего действия. Исходной информацией для этого могут служить:

  1. Величина крутящего момента – задает условия работы устройств типа Quaife и Torsen.
  2. Разница угловых скоростей на ведомых шестернях – используется в дисковых и кулачковых системах, дифференциалах с вискомуфтой.

Все эти конструкции широко применяются в автомобилях самых различных типов и классов, от спорткаров до тяжелых внедорожников. Рассмотрим подробнее устройство и принцип работы самоблокирующихся дифференциалов.

Quaife

Система Quaife, разработанная в 1965 году, больше всего напоминает классическую схему. Главное отличие – использование косозубых шестерен вместо прямозубых. Результатом такого новшества стало возникновение вспомогательных сил, стремящихся раздвинуть зацепленные шестерни, отдалить их друг от друга. Получившие подвижность пары сцепленных друг с другом сателитов во время изменения крутящего момента на одном из колес расходятся, упираются торцевыми поверхностями в корпус дифференциала, в результате чего притормаживаются и выравнивают режим работы механизма.

Это она из самых простых конструкций, и именно поэтому ей свойственен ряд недостатков – быстрый механический износ, сопровождающийся падением эффективности, невозможность качественной реализации в заднеприводных и внедорожных автомобилях. Чаще всего Quaife встречается на легких переднеприводных спорткарах начального уровня.

Дифференциал типа Quaife

Torsen

Система Torsen основана на червячной передаче и отличается высокой эффективностью. На сегодняшний день она объединяет три основных типа конструкций самоблокирующегося дифференциала, чувствительного к крутящему моменту:

  1. Тип-1 предполагает использование шестерен полуосей и сателитов в качестве червячных пар. Дифференциал типа TorsenПринцип его действия напоминает принцип действия системы Quaife – изменение момента сопровождается расклиниванием одной червяной пары и ее торможением о корпус дифференциала, а рабочий диапазон задается углом наклона зубьев червяка. Тип-1 является одним из самых мощных не только в серии, но и среди всех самоблокирующихся конструкций.
  2. Тип-2 использует сателиты, оси которых параллельны полуосям автомобиля. Принцип блокировки основан на торможении сателитов о специальные чашки, расположенные в корпусе дифференциала.
  3. Тип-3 включает все планетарные конструкции с червячными парами. Главное их достоинство – малые габариты, высокая эффективность, нетребовательность к условиям работы.

Теперь рассмотрим системы, принцип действия которых основан на разнице угловых скоростей ведомых шестерен дифференциала.

Дисковая блокировка

Конструкция дискового дифференциала предполагает наличие фрикционных муфт, принцип действия которых напоминает работу сцепления автомобиля. Часть дисков, входящих во фрикционные муфты, закреплена на корпусе механизма, часть связана с ведомыми шестернями конической конфигурации. Именно коническая форма способствует раздвижению и линейному перемещению шестерен, воздействующих, в свою очередь, на диски и блокирующих дифференциал. Для усиления конструкции в нее зачастую вводят вторую ведомую пару, а также распорные пружины.

Кулачковый дифференциал

Кулачковая система интересна в первую очередь тем, что позволила отказаться от применения классических шестерен в пользу сепараторного кольца, воздействующего на сухари, которые играют роль сателитов. Ведомые шестерни чаще всего сохраняются, хотя в некоторых конструкциях вместо них успешно применяют кулачковые диски или специальные кольца с волнообразной поверхностью.

Дифференциал типа Torsen

Кулачковый дифференциалПринцип работы кулачкового дифференциала основан на расклинивании сухарей между дисками – значит, при достижении некоторой разницы в угловых скоростях наступает мгновенная блокировка, а до этого момента дифференциал работает как классический механический. В наше время кулачковые механизмы, в силу своей конструктивной сложности и высоких эксплуатационных качеств, получили широкое распространение на военных и специализированных транспортных средствах, а также некоторых полноприводных автомобилях.

Вязкостная муфта

Вязкостная муфта или вискомуфта представляет собой, по сути, упрощенный и унифицированный вариант дискового дифференциала. Основным элементом конструкции является резервуар с вязкой жидкостью, в которой расположены наборы фрикционов – один соединен с полуосью, второй сообщается с ротором. Это позволяет пропорционально увеличивать сопротивление с увеличением разницы между угловыми скоростями вращения ведущих колес.

Вязкостная муфта

Главное достоинство вискомуфты – простота и дешевизна. Тем не менее, она достаточно громоздка и малоэффективна в действительно экстремальных дорожных условиях. Поэтому основная сфера применения муфты – недорогие легкие кроссоверы. Так она полностью раскрывает свой потенциал, выступает в роли удобно и надежного механизма.

В последние годы появление новых конструкционных материалов, совершенствование технологий их обработки и расширение возможностей компьютерного моделирования сформировали благоприятные условия для развития самоблокирующихся дифференциалов. Известные и проверенные конструкции улучшаются, создаются новые, перспективные механизмы. Вполне возможно, что вскоре самоблокирующийся дифференциал станет неотъемлемой частью большинства автомобилей.

самоблокирующийся кулачковый дифференциал — патент РФ 2235931

Изобретение относится к транспортному машиностроению, в частности к конструкции межколесных дифференциальных механизмов. Дифференциал содержит соосные внутреннюю 1 и наружную 2 звездочки и расположенное между ними водило с сухарями 3. Поверхность сухарей 3, контактирующая с кулачками внутренней звездочки 1, выполнена в форме 3-х сопряженных участков — 2-х вогнутых с кривизной, соответствующей дуге кулачка внутренней звездочки 1, и расположенного между ними, выпуклого. Технический результат — повышение плавности работы, надежности, долговечности дифференциала в транспортных средствах высокой проходимости. 4 ил.

Изобретение относится к транспортному машиностроению, а более конкретно к конструкции межколесных дифференциальных механизмов.

Известен самоблокирующийся кулачковый дифференциал, удовлетворяющий основному уравнению кинематики дифференциала, содержащий соосные внутреннюю и наружную кулачковые звездочки, расположенные между ними водило (сепаратор) с сухарями (плунжерами), одновременно скользящими в отверстиях водила и по поверхностям кулачковых звездочек [1].

Трение скольжения сухарей о водило и поверхности кулачков звездочек обеспечивает блокировку дифференциала при возникновении разности крутящих моментов, реализуемых на полуосях моста из-за разных условий сцепления колес с грунтом.

Существенным недостатком данного технического решения является то, что поверхность кулачков внутренней звездочки и контактирующие с ней поверхности сухарей имеют профили, направленные друг к другу выпуклыми сторонами. Это, как показали теоретические и практические исследования, обеспечивает очень маленькую площадь контакта между этими поверхностями, способствует их быстрому износу и нарушению кинематического соответствия контактирующих поверхностей деталей, что приводит к неравномерности в работе дифференциала и его заклиниванию.

Технический результат, достигаемый заявляемым решением, заключается в значительном увеличении площадей контактирующих поверхностей сухарей и звездочек, повышении плавности работы, надежности и долговечности дифференциала транспортного средства.

Указанный результат достигается тем, что в самоблокирующемся кулачковом дифференциале, содержащем соосные внутреннюю и наружную звездочки и расположенное между ними водило с сухарями, одновременно скользящими по поверхности звездочек и в отверстиях водила, поверхность сухарей, контактирующая с кулачками внутренней звездочки, выполнена в форме 3-х сопряженных участков — 2-х вогнутых, с кривизной, соответствующей дуге кулачка внутренней звездочки, и расположенного между ними, выпуклого.

Заявляемое техническое решение иллюстрируется чертежами, где:

Фиг.1 — продольный разрез кулачкового самоблокирующегося дифференциала.

Фиг.2 — разрез А-А на Фиг.1.

Фиг.3 — вид Б на сухари, установленные в водиле дифференциала.

Фиг.4 — геометрическое построение профилей кулачков внутренней и наружной звездочек и сухарей самоблокирующегося кулачкового дифференциала.

Самоблокирующийся кулачковый дифференциал содержит внутреннюю 1 и наружную 2 звездочки и двадцать четыре сухаря 3, расположенные в радиальных отверстиях водила 4 двумя рядами со сдвигом их по окружности на полшага и зафиксированных от проворота лысками 5 и распорными кольцами 6 и 7. Водило 4 соединено с чашкой 8 корпуса дифференциала и является ведущим звеном. Звездочки являются ведомыми звеньями.

На наружной звездочке 2 равномерно расположены по окружности шесть кулачков 9, по которым скользят сухари 3 обоих рядов. На внутренней звездочке 1 предусмотрено два самостоятельных ряда по шесть равномерно расположенных по окружности кулачков 10, по которым также скользят сухари 3. Кулачки 10 одного ряда смещены по окружности относительно другого ряда на полшага. Рабочие поверхности кулачков 9 и 10 звездочек 1 и 2 выполняют по дугам окружностей. Профиль кулачка 10 внутренней звездочки 1 образован дугами окружностей с центрами в точках А и соответствующих радиусов. Профиль кулачка 9 на наружной звездочке 2 образован дугами окружностей с центрами в точках В и соответствующих радиусов.

Рабочие поверхности сухарей 3 кулачковых дифференциалов также выполняют по дугам окружностей. Профили этих поверхностей симметричны относительно средней линии OO1 и образованы дугами окружностей с центрами в точках С, С1, D и Е. Профиль сухаря, работающий по внутренней звездочке 1, имеет три сопряженных участка, два из которых — вогнутые с центрами дуг окружностей С и C1, а третий, расположенный между ними — выпуклый с центром D. Это в сравнении с прототипом увеличивает при работе механизма площадь контакта сухарей и звездочек, особенно значительно в паре сухарь и внутренняя звездочка на сухаре более чем в 3 раза.

Плоские лыски на боковой поверхности сухаря 3 не допускают поворот сухаря в гнезде водила установкой распорных колец 6 и 7 между рядами сухарей.

Работает самоблокирующийся дифференциал следующим образом.

Если угловые скорости звездочек одинаковы, то сухари 3 относительно звездочек и водила остаются неподвижными. Это происходит при движении автомобиля по прямой и ровной дороге. При движении автомобиля на повороте одна звездочка, связанная с забегающим колесом, обгоняет ведущее водило, а другая звездочка ровно на столько же отстает от него.

При этом водило, опережающее отстающую звездочку, заставляет сухари перемещаться в радиальном направлении по мере того, как они передвигаются по поверхности кулачков. Противоположные концы сухарей действуют подобным образом на наклонные поверхности другой звездочки, заставляя ее вращаться с угловой скоростью, большей, чем угловая скорость водила.

Трение скольжения сухарей о водило и поверхности кулачков обеспечивает блокировку дифференциала при возникновении разности крутящих моментов на полуосях, что дает повышение проходимости транспортного средства.

Применение самоблокирующегося кулачкового дифференциала транспортного средства, установленного в ведущих мостах, позволяет более полно использовать сцепной вес, приходящийся на ведущие колеса, увеличивает тяговое усилие на колесах, повышает проходимость, повышает возможность трогания с места на скользких подъемах, улучшает устойчивость движения в тяжелых дорожных условиях.

Источники информации

[1]. Дифференциалы колесных машин /А.Ф. Андреев, В.В. Ванцевич, А.Х. Лефаров. Под общ. ред. А.Х. Лефарова. — М.: Машиностроение, 1987. — 176 с; ил. с 71-75 — прототип.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Самоблокирующийся кулачковый дифференциал, содержащий соосные внутреннюю и наружную звездочки и расположенное между ними водило с сухарями, одновременно скользящими по поверхности звездочек и в отверстиях водила, отличающийся тем, что поверхность сухарей, контактирующая с кулачками внутренней звездочки, выполнена в форме 3сопряженных участков — 2 вогнутых с кривизной, соответствующей дуге кулачка внутренней звездочки, и расположенного между ними выпуклого.

Самоблокирующийся кулачковый дифференциал

 

Изобретение относится к транспортному машиностроению, в частности к конструкции межколесных дифференциальных механизмов. Дифференциал содержит соосные внутреннюю 1 и наружную 2 звездочки и расположенное между ними водило с сухарями 3. Поверхность сухарей 3, контактирующая с кулачками внутренней звездочки 1, выполнена в форме 3-х сопряженных участков — 2-х вогнутых с кривизной, соответствующей дуге кулачка внутренней звездочки 1, и расположенного между ними, выпуклого. Технический результат — повышение плавности работы, надежности, долговечности дифференциала в транспортных средствах высокой проходимости. 4 ил.

Изобретение относится к транспортному машиностроению, а более конкретно к конструкции межколесных дифференциальных механизмов.

Известен самоблокирующийся кулачковый дифференциал, удовлетворяющий основному уравнению кинематики дифференциала, содержащий соосные внутреннюю и наружную кулачковые звездочки, расположенные между ними водило (сепаратор) с сухарями (плунжерами), одновременно скользящими в отверстиях водила и по поверхностям кулачковых звездочек [1].

Трение скольжения сухарей о водило и поверхности кулачков звездочек обеспечивает блокировку дифференциала при возникновении разности крутящих моментов, реализуемых на полуосях моста из-за разных условий сцепления колес с грунтом.

Существенным недостатком данного технического решения является то, что поверхность кулачков внутренней звездочки и контактирующие с ней поверхности сухарей имеют профили, направленные друг к другу выпуклыми сторонами. Это, как показали теоретические и практические исследования, обеспечивает очень маленькую площадь контакта между этими поверхностями, способствует их быстрому износу и нарушению кинематического соответствия контактирующих поверхностей деталей, что приводит к неравномерности в работе дифференциала и его заклиниванию.

Технический результат, достигаемый заявляемым решением, заключается в значительном увеличении площадей контактирующих поверхностей сухарей и звездочек, повышении плавности работы, надежности и долговечности дифференциала транспортного средства.

Указанный результат достигается тем, что в самоблокирующемся кулачковом дифференциале, содержащем соосные внутреннюю и наружную звездочки и расположенное между ними водило с сухарями, одновременно скользящими по поверхности звездочек и в отверстиях водила, поверхность сухарей, контактирующая с кулачками внутренней звездочки, выполнена в форме 3-х сопряженных участков — 2-х вогнутых, с кривизной, соответствующей дуге кулачка внутренней звездочки, и расположенного между ними, выпуклого.

Заявляемое техническое решение иллюстрируется чертежами, где:

Фиг.1 — продольный разрез кулачкового самоблокирующегося дифференциала.

Фиг.2 — разрез А-А на Фиг.1.

Фиг.3 — вид Б на сухари, установленные в водиле дифференциала.

Фиг.4 — геометрическое построение профилей кулачков внутренней и наружной звездочек и сухарей самоблокирующегося кулачкового дифференциала.

Самоблокирующийся кулачковый дифференциал содержит внутреннюю 1 и наружную 2 звездочки и двадцать четыре сухаря 3, расположенные в радиальных отверстиях водила 4 двумя рядами со сдвигом их по окружности на полшага и зафиксированных от проворота лысками 5 и распорными кольцами 6 и 7. Водило 4 соединено с чашкой 8 корпуса дифференциала и является ведущим звеном. Звездочки являются ведомыми звеньями.

На наружной звездочке 2 равномерно расположены по окружности шесть кулачков 9, по которым скользят сухари 3 обоих рядов. На внутренней звездочке 1 предусмотрено два самостоятельных ряда по шесть равномерно расположенных по окружности кулачков 10, по которым также скользят сухари 3. Кулачки 10 одного ряда смещены по окружности относительно другого ряда на полшага. Рабочие поверхности кулачков 9 и 10 звездочек 1 и 2 выполняют по дугам окружностей. Профиль кулачка 10 внутренней звездочки 1 образован дугами окружностей с центрами в точках А и соответствующих радиусов. Профиль кулачка 9 на наружной звездочке 2 образован дугами окружностей с центрами в точках В и соответствующих радиусов.

Рабочие поверхности сухарей 3 кулачковых дифференциалов также выполняют по дугам окружностей. Профили этих поверхностей симметричны относительно средней линии OO1 и образованы дугами окружностей с центрами в точках С, С1, D и Е. Профиль сухаря, работающий по внутренней звездочке 1, имеет три сопряженных участка, два из которых — вогнутые с центрами дуг окружностей С и C1, а третий, расположенный между ними — выпуклый с центром D. Это в сравнении с прототипом увеличивает при работе механизма площадь контакта сухарей и звездочек, особенно значительно в паре сухарь и внутренняя звездочка на сухаре более чем в 3 раза.

Плоские лыски на боковой поверхности сухаря 3 не допускают поворот сухаря в гнезде водила установкой распорных колец 6 и 7 между рядами сухарей.

Работает самоблокирующийся дифференциал следующим образом.

Если угловые скорости звездочек одинаковы, то сухари 3 относительно звездочек и водила остаются неподвижными. Это происходит при движении автомобиля по прямой и ровной дороге. При движении автомобиля на повороте одна звездочка, связанная с забегающим колесом, обгоняет ведущее водило, а другая звездочка ровно на столько же отстает от него.

При этом водило, опережающее отстающую звездочку, заставляет сухари перемещаться в радиальном направлении по мере того, как они передвигаются по поверхности кулачков. Противоположные концы сухарей действуют подобным образом на наклонные поверхности другой звездочки, заставляя ее вращаться с угловой скоростью, большей, чем угловая скорость водила.

Трение скольжения сухарей о водило и поверхности кулачков обеспечивает блокировку дифференциала при возникновении разности крутящих моментов на полуосях, что дает повышение проходимости транспортного средства.

Применение самоблокирующегося кулачкового дифференциала транспортного средства, установленного в ведущих мостах, позволяет более полно использовать сцепной вес, приходящийся на ведущие колеса, увеличивает тяговое усилие на колесах, повышает проходимость, повышает возможность трогания с места на скользких подъемах, улучшает устойчивость движения в тяжелых дорожных условиях.

Источники информации

[1]. Дифференциалы колесных машин /А.Ф. Андреев, В.В. Ванцевич, А.Х. Лефаров. Под общ. ред. А.Х. Лефарова. — М.: Машиностроение, 1987. — 176 с; ил. с 71-75 — прототип.

Формула изобретения

Самоблокирующийся кулачковый дифференциал, содержащий соосные внутреннюю и наружную звездочки и расположенное между ними водило с сухарями, одновременно скользящими по поверхности звездочек и в отверстиях водила, отличающийся тем, что поверхность сухарей, контактирующая с кулачками внутренней звездочки, выполнена в форме 3сопряженных участков — 2 вогнутых с кривизной, соответствующей дуге кулачка внутренней звездочки, и расположенного между ними выпуклого.

РИСУНКИРисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4

QB4A Регистрация лицензионного договора на использование изобретения

Лицензиар(ы): Открытое акционерное общество «ГАЗ» (ОАО «ГАЗ»)

Вид лицензии*: НИЛ

Лицензиат(ы): Открытое акционерное общество «Арзамасский машиностроительный завод» (ОАО «АМЗ»)

Договор № РД0032848 зарегистрирован 18.02.2008

Извещение опубликовано: 27.03.2008        БИ: 09/2008

* ИЛ — исключительная лицензия        НИЛ — неисключительная лицензия


Самоблокирующиеся дифференциалы | Трансмиссия

Для повышения проходимости на некоторых ТС устанавливают самоблокирующиеся дифференциалы, которые обеспечивают передачу большего вращающего момента на колесо, имеющее лучшее сцепление с опорной поверхностью и вращающееся с меньшей угловой скоростью (отстающее колесо), по сравнению с колесом, находящимся на участке с недостаточными высокими сцепными качествами и вращающимся с большей угловой скоростью (забегающее колесо). Таким образом, суммарная сила тяги обоих колес увеличивается. Отношение момента на отстающем колесе Мот к моменту на забегающем колесе Мзаб называется коэффициентом блокировки (Коб = Мот/Мзаб).

Оптимальный коэффициент блокировки определяется отношением максимального и минимального коэффициентов сцепления, которое для наиболее характерных условий движения находится в пределах 3… 5.

Из большого числа разных по принципу действия самоблокирующихся дифференциалов наиболее широко используются дифференциалы повышенного трения — конические и кулачковые, а также механизмы типа муфт свободного хода. Например, на многоосных полноприводных колесных машинах на первом и втором мостах (ведущих, с управляемыми колесами) установлены межколесные конические дифференциалы повышенного трения, а на третьем и четвертом ведущих мостах — механизмы типа муфт свободного хода. Последние могут быть применены в редукторах между первым и вторым мостами, а также между третьим и четвертым.

Межколесный дифференциал передних центральных редукторов

Рис. Межколесный дифференциал передних центральных редукторов:
1 — ведомая коническая шестерня; 2 — опорная шайба; 3 — сателлит; 4 — крестовина; 5 — вкладыш; 6 — полуосевые шестерни; 7 — пружина; 8 — корпус дифференциала

Далее приведено описание устройств и работы указанных механизмов.

Дифференциал передних центральных редукторов автомобиля относится к дифференциалам повышенного трения. Вращающий момент от ведомой конической шестерни 1 передается через корпус 8 дифференциала на крестовину 4. Работает этот дифференциал так же, как и обычный конический, однако он обеспечивает большее перераспределение вращающего момента на полуосях. Это происходит вследствие значительного увеличения среднего диаметра опорных шайб 2, сателлитов 3 и наличия пружин 7, постоянно поджимающих сателлиты к неподвижным относительно корпуса дифференциала вкладышам 5. Осевое усилие на сателлите, возникающее в результате зацепления его с полуосевыми шестернями 6, суммируется с усилием пружины, и на поверхностях опорной шайбы возникает повышенный момент трения. Если одно колесо попадает на скользкую дорогу или лед, а второе находится на хорошей дороге, то на последнем колесе будет возникать вращающий момент, равный сумме вращающего момента колеса, стоящего на скользкой дороге, и момента трения, возникающего внутри дифференциала. Это обстоятельство способствует повышению проходимости автомобиля.

Каждая пружина сателлитов сжата под усилием 1,7 кН (170 кгс), поэтому в целях безопасности разбирать и собирать дифференциал повышенного трения необходимо в специальном приспособлении.

Дифференциал задних центральных редукторов автомобиля относится к самоблокирующимся дифференциалам, работающим по принципу муфты свободного хода.

Вращающий момент от ведомой конической шестерни 1 передается через корпус 4 дифференциала на ведущую муфту 3.

Ведущая муфта имеет прямоугольные зубья, расположенные по наружному диаметру, и трапециевидные зубья, расположенные по внутреннему диаметру торца муфты. Вращающий момент от ведущей муфты передается на две полумуфты 5, на торце которых также имеется по два ряда зубьев — наружный и внутренний. Наружный ряд зубьев полумуфты силовой; зубья этого ряда зацепляются с аналогичными зубьями ведущей муфты. Внутренний ряд зубьев полумуфты имеет специальный профиль: эти зубья служат для отключения полумуфты от ведущей муфты. На наружном диаметре внутреннего ряда зубьев полумуфты установлено разрезное распорное кольцо 9, обеспечивающее бесшумную работу дифференциала. От каждой полумуфты вращающий момент передается через эвольвентные шлицы на полуосевую шестерню 6 и полуось автомобиля. Внутри ведущей муфты установлено центральное кольцо 10, которое удерживается от осевого перемещения стопорным кольцом 11.

Межколесный дифференциал задних центральных редукторов

Рис. Межколесный дифференциал задних центральных редукторов:
1 — ведомая коническая шестерня; 2 — шпонка; 3 — ведущая муфта; 4 — корпус дифференциала; 5 — полумуфта; 6 — полуосевая шестерня; 7 — пружина; 8 — стакан пружины; 9 — разрезное распорное кольцо; 10 — центральное кольцо; 11 — стопорное кольцо; 12 — дистанционная втулка

На обоих торцах центрального кольца имеются расположенные друг против друга зубья специального профиля. Во впадины между этими зубьями входят зубья внутреннего ряда полумуфт, а также зубья разрезных колец. Зубья центрального кольца, взаимодействуя с зубьями полумуфты, в определенных условиях способствуют выведению полумуфты 5 из зацепления с ведущей муфтой 3.

Шпонка 2, установленная в ведущей муфте, препятствует проворачиванию разрезного распорного кольца, которое удерживает полумуфту в отключенном положении.

Полумуфты постоянно поджимаются к ведущей муфте с помощью спиральных пружин 7, опирающихся крайними витками на полуосевые шестерни и на полумуфты через стаканы 8. Между полуосевыми шестернями установлена дистанционная втулка 12, предохраняющая от смещения полуосевые шестерни при установке полуосей.

При движении автомобиля по прямой ровной дороге дифференциал не работает: заблокированы все детали дифференциала и полуоси вращаются как единое целое со скоростью ведомой конической шестерни.

При движении по бездорожью раздельное вращение колес (одного моста) исключено, оба колеса принудительно вращаются с одинаковой частотой, что увеличивает общую тягу и улучшает проходимость автомобиля.

При повороте автомобиля забегающее колесо стремится вращаться быстрее ведомой конической шестерни и ведущей муфты. При этом полумуфта забегающего колеса, опираясь своими профильными зубьями на зубья центрального кольца, отходит от ведущей муфты и выключается. Разрезное распорное кольцо, находящееся на полумуфте, вращается вместе с ней до тех пор, пока не упрется краем выреза в шпонку, сидящую в ведущей муфте. В этот момент торцы зубьев разрезного распорного кольца установятся против торцов зубьев центрального кольца и будут удерживать полумуфту от включения. На протяжении всего поворота забегающая полумуфта выключена и не передает на полуось вращающий момент. Усилие будет передаваться только на полумуфту, соединенную с ведущей муфтой.

При повороте на скользких дорогах полумуфта забегающего колеса может не отключаться. Поворот при этом происходит вследствие проскальзывания отстающего колеса.

При выходе автомобиля из поворота угловые скорости забегающей и отстающей полумуфт выравниваются. Разрезное распорное кольцо при этом несколько отходит назад, зубья его сходят с зубьев центрального кольца, и полумуфта под действием сжатой пружины входит в зацепление с ведущей муфтой. При движении автомобиля по инерции с поворотом отключается не забегающая муфта, а отстающая, так как в этом случае ведущим элементом является не корпус дифференциала, а забегающее колесо.

При движении автомобиля назад по прямой дифференциал работает так же, как и при движении вперед, но в этом случае прижаты противоположные боковые стороны ведущих зубьев ведущей муфты и полумуфты.

Работа дифференциала на поворотах при движении автомобиля назад не отличается от работы дифференциала на поворотах при движении вперед.

Для изготовления шестерен главных передач, шестерен и крестовин дифференциалов применяются хромистые и хромоникелевые стали. Корпуса дифференциалов, картеры главных передач, балки ведущих мостов изготавливают из ковкого чугуна и углеродистой стали, полуоси — из хромистой, хромокремнемарганцевой и хромоникелевольфрамовой сталей.

В настоящее время для распределения моментов в требуемом соотношении между выходными валами (в ведущих мостах и раздаточных коробках) находят применение различные механизмы, в частности вязкостные муфты, героторные механизмы, дифференциалы повышенного трения, «Квайф», «Торсен» (трех типов) и др.

Дифференциал (механика) — это… Что такое Дифференциал (механика)?

Устройство дифференциала (центральная часть)

Дифференциа́л — это механическое устройство, которое делит момент входного вала между выходными валами, которые называются полуосями. Наиболее широко применяется в конструкции привода автомобилей, где момент от выходного вала коробки передач (или карданного вала) поровну делится между полуосями правого и левого колеса. В полноприводных автомобилях также может применяться для деления момента в заданном соотношении между ведущими осями, хотя здесь достаточно распространены конструкции и без дифференциала (например, с вискомуфтой).

Назначение

Необходимость применения дифференциала в конструкции привода автомобилей обусловлена тем, что внешнее колесо при повороте проходит более длинную дугу, чем внутреннее. То есть при вращении ведущих колёс с одинаковой скоростью поворот возможен только с пробуксовкой, а это негативно сказывается на управляемости и сильно повышает износ шин.

Назначение дифференциала в автомобилях:

  • позволяет ведущим колёсам вращаться с разными угловыми скоростями;
  • неразрывно передаёт крутящий момент от двигателя на ведущие колёса;
  • в сочетании с главной передачей служит дополнительной понижающей передачей.

В случае единственного приводного колеса или отдельного двигателя для каждого из ведущих колёс дифференциал не требуется. В конструкции раллийных автомобилей иногда дифференциал намертво блокируют (заваривают), жёстко связывая колёса ведущей оси – это допустимо, так как на гравии или снегу в ралли повороты проходятся только с заносом. Также дифференциал отсутствует в конструкции картов, при этом гибкость их рам обычно позволяют вывешивать ведущее заднее колесо с внутренней стороны поворота без отрыва передних колёс от трассы. В веломобилях с ведущей осью вместо дифференциала часто применяются более простые и доступные трещотки (обгонные муфты) в колёсах – такой привод допускает вращение колёс на ведущей оси с разной скоростью, но при этом весь момент передаётся только на то колесо, которое медленнее вращается.

Расположение

На автомобилях с одной ведущей осью дифференциал располагается на ведущей оси.

На автомобилях со сдвоенной ведущей осью два дифференциала, по одному на каждой оси.

На автомобилях с подключаемым полным приводом по одному дифференциалу на каждой оси. На таких машинах не рекомендуется ездить по дорогам с включенным полным приводом.

На автомобилях с постоянным полным приводом есть три дифференциала: по одному на каждой оси (межколёсный), плюс один распределяет крутящий момент между осями (межосевой).

При трёх или четырёх ведущих мостах (колёсная формула 6×6 или 8×8) добавляется ещё межтележечный дифференциал.

Устройство

Дифференциал автомобиля Porsche Cayenne в разрезе

Классические автомобильные дифференциалы основаны на планетарной передаче. Карданный вал 1 через коническую зубчатую передачу передает вращение на корпус дифференциала 2. Корпус дифференциала через независимые друг от друга шестерни (сателлиты) 3 вращает полуоси 4. Такое зацепление имеет не одну, а две степени свободы, и каждая из полуосей вращается с такой скоростью, с какой может. Постоянна лишь суммарная скорость вращения полуосей.

Проблема буксующего колеса

Обычный («свободный») дифференциал отлично работает, пока ведущие колёса неразрывно связаны с дорогой. Но, когда одно из колёс оказывается в воздухе или на льду, то крутится именно это колесо, в то время как другое, стоящее на твёрдой земле, теряет всякую силу. Может показаться, что обычный дифференциал – это бессмысленный механизм, который направляет крутящий момент двигателя именно на то колесо, которое легче прокручивается. Конечно, целесообразнее было бы передавать больше крутящего момента на колесо с лучшим сцеплением, но этого не происходит в силу устройства дифференциала.

Дело в том, что создаваемый двигателем момент зависит от силы реакции на каждом из ведущих колёс автомобиля. В случае потери сцепления одним из колёс, его сопротивление падает, а раскрутка происходит без существенного увеличения момента сопротивления (трение скольжения в пятне контакта меньше трения покоя и несущестенно зависит от скорости пробуксовки). В момент когда колесо начинает проскальзывать, моменты на колесах тоже равны друг другу, но при этом они равны наименьшей силе реакции точки опоры в системе (т.е. у проскальзывающего колеса), а весь лишний момент (который превышает момент точки опоры) уходит в раскрутку буксующего колеса.

Данную ситуацию можно выразить следующим выражением: момент не буксующего колеса равен моменту буксующего колеса плюс момент на раскрутку буксующего колеса.

Способы решения проблемы буксующего колеса

Ручная блокировка дифференциала

По команде из кабины шестерни дифференциала блокируются, и колёса вращаются синхронно. Таким образом, дифференциал стоит блокировать перед преодолением сложных участков пути (вязкий грунт, препятствия), и затем отключать блокировку после выезда на обычную дорогу. Применяется в вездеходах и внедорожниках.

При езде на таких автомобилях чаще всего не рекомендуется включать блокировку, когда автомобиль движется. Также нужно знать, что крутящий момент, создаваемый мотором, настолько велик, что может сломать механизм блокировки или полуось. Обычно производители автомобиля отдельно указывают рекомендованную максимальную скорость движения при заблокированном дифференциале, в случае ее превышения возможны поломки трансмиссии. Включенная блокировка, особенно в переднем мосту, отрицательно влияет на управляемость.

Электронное управление дифференциалом

На внедорожниках, снабжённых антипробуксовочной системой (TRC и другие), если одно из колёс буксует, оно подтормаживается рабочим тормозом.

Похожее решение было применено в «Формуле-1» в 1998 г. в команде «Макларен»: в повороте внутреннее колесо подтормаживалось рабочим тормозом. Эту систему быстро запретили, однако в Формуле-1 прижилась конструкция фрикционного дифференциала, в котором фрикцион дополнительно управляется компьютером. В 2002 году технический регламент был ужесточён; с того же (2002) года и по сей день в Формуле-1 разрешены только дифференциалы простейшего типа.

Преимущество электронного управления в том, что повышается тяга в повороте, и степень блокировки можно настроить в зависимости от предпочтений гонщика. На прямой совсем не теряется мощность двигателя. Недостаток в том, что датчики и исполнительные механизмы обладают некоторой инерцией, и такой дифференциал нечувствителен к быстро меняющимся дорожным условиям.

Фрикционный самоблокирующийся дифференциал

Этот тип дифференциала (как, впрочем, и вязкостная муфта) основан на том, что на прямой полуоси вращаются синхронно с корпусом дифференциала, но в повороте появляется разница в угловых скоростях.

Между корпусом дифференциала 2 и полуосевой шестерней 4 установлен фрикцион (в зависимости от конструкции, фрикцион может быть установлен с одной стороны или с двух; на ходовые качества это не влияет). Когда автомобиль движется по прямой, корпус и шестерня вращаются с одной и той же скоростью, и потерь нет. При появлении разницы в скоростях вращения корпуса и шестерни на отстающую шестерню подается дополнительный крутящий момент из-за наличия трения между шестерней и корпусом дифференциала.

Этот вид дифференциала требует периодического обслуживания (так как трущиеся части фрикциона изнашиваются, снижается сила трения и эффективность блокировки) и поэтому редко устанавливается на серийные машины (в основном на спортивные и тюнингованные)

Вязкостная муфта (Вискомуфта, Viskodrive)

Упрощённый вариант фрикционного дифференциала. На одной из полуосей имеется резервуар, заполненный вязкой дилатантной жидкостью. В эту жидкость погружены два пакета дисков; один соединён с ротором, второй с полуосью. Чем больше разница в скоростях колёс, тем больше разница в скоростях вращения дисков и тем больше вязкое сопротивление.

Достоинство такой конструкции в простоте и дешевизне. Недостаток в том, что вязкостная муфта довольно инерционна и отказывается работать на полном бездорожье. Хороших ходовых качеств вязкостная муфта не обеспечивает и применяется только в «паркетниках» (вседорожниках, которые жертвуют проходимостью ради комфорта) между осями. Для установки в качестве осевого дифференциала такая конструкция слишком громоздка.

Иногда вместо дифференциала ставят коническую зубчатую передачу с вязкостной муфтой на одной из полуосей.

Кулачковый/зубчатый самоблокирующийся дифференциал

Принцип действия аналогичен, но полуоси соединяются зубчатой или кулачковой парой. Таким образом, при пробуксовке одного из колёс дифференциал резко блокируется. Поэтому такая система применяется только в военной и специальной технике (например, в бронетранспортёрах), где нужно большое тяговое усилие и долговечность в ущерб управляемости.

Гидророторный самоблокирующийся дифференциал

Попытка повысить эффективность и долговечность фрикционного дифференциала. При возникновении разницы в угловых скоростях насос закачивает жидкость в цилиндр, и поршень сжимает фрикционный пакет, блокируя дифференциал.

DPS

Основная статья: DPS

Dual Pump System — система с двумя насосами, автоматически подключающая вторую ось, когда не хватает одной. Применяется в системах полного привода Honda. Достоинства: работает автоматически, на хорошей дороге экономит бензин. Недостатки: ограниченная проходимость, сложность, ограничения на буксировку.

Шестеренчатые самоблокирующиеся дифференциалы

Существует три типа таких дифференциалов — планетарные, типа Quaife и типа Torsen. Все они основаны на свойстве косозубой или червячной передачи «заклинивать» при определённом соотношении крутящих моментов. Такие дифференциалы передают бо́льшую часть крутящего момента (до 80 %) небуксующему колесу.

Применяются во внедорожниках и гоночных автомобилях. Недостатки: сложность; бо́льшая потеря мощности, чем у обычного дифференциала.

Дифференциал типа Torsen изобретён в 1958 г. американцем Верноном Глизманом. Имеет достоинства вязкостной муфты и не имеет её недостатков. Принцип работы основан на свойстве червячной передачи «расклиниваться». Название Torsen произошло от англ. Torque sensitive («чувствительный к крутящему моменту»). Torsen — товарный знак JTEKT Torsen North America Inc.

Разновидностей конструкций не так уж и много — можно выделить три основных:

Первый тип(T-1) Червячными парами являются шестерни ведущих полуосей и сателлиты. При этом каждая полуось имеет собственные сателлиты, которые парно связанны с сателлитами противоположной полуоси обычным прямозубым зацеплением. Следует отметить, что ось сателлита перпендикулярна полуоси. При нормальном движении и равенстве передаваемых на полуоси моментов, червячные пары «сателлит / ведущая шестерня» либо остановлены, либо проворачиваются, обеспечивая разницу угловых скоростей полуосей в повороте. Как только дифференциал пытается отдать момент на одну из полуосей, то червячную пару этой полуоси начинает расклинивать и блокировать с чашкой дифференциала, что приводит к частичной блокировке дифференциала. Данная конструкция работает в самом большом диапазоне отношений крутящего момента — от 2.5/1 до 5.0/1, то есть является самой мощной в серии. Диапазон срабатывания регулируется углом наклона зубцов червяка.

Второй тип(T-2) В данном случае, оси сателлитов параллельны полуосям. Сателлиты расположены в своеобразных карманах чашки дифференциала. При этом парные сателлиты имеют косозубое зацепление, которое расклиниваясь, так же участвует в процессе блокировки. Подобное устройство имеет и дифференциал TrueTrac компании EATON. Даже у нас в России появилось производство аналогичных дифференциалов под отечественные автомобили УАЗ и.т.д.

Третий тип(Т-3) Планетарная структура конструкции позволяет сместить номинальное распределение момента в пользу одной из осей. Срабатывание частичной блокировки происходит при 20-30 % разнице в передаваемых на оси моментах. Подобная структура дифференциала делает его компактным, что в свою очередь, упрощает конструкцию и улучшает компоновку раздаточной коробки.

В отличие от других конструкций, датчики вращающего момента работают практически в любых условиях. Даже если колеса вращаются с различными скоростями (поворот, прохождение через ухабы), они тем не менее всегда получают вращающий момент основанный на сцеплении.

Данные дифференциалы не требуют применения специальных присадок к маслу (в отличие от фрикционных дифференциалов), однако лучше использовать качественное масло для нагруженных гипоидных передач.

См. также

Ссылки

Отправить ответ

avatar
  Подписаться  
Уведомление о