Прочие виды дифференциалов

КУЛАЧКОВЫЕ ДИФФЕРЕНЦИАЛЫ

Механический дифференциал является устройством, уравновешивающим силы и делящим входное усилие на две части в определенном отношении. Устройство позволяет изменять частоту вращения между выходными звеньями любым способом, но так, чтобы ее среднее значение всегда было равно выходной частоте вращения. В случае межколесного или межосевого дифференциала для двух мостов в тележке обычно ограничиваются применением устройства, передающего вращательное движение при равном распределении выходного момёнта (в отношении 1/2 : 1/2) и без учета внутреннего трения. Способность к неравномерному распределению крутящих моментов, основанная на возможности увеличения внутреннего трения в устройствах этого типа, допускает двух- и трехкратное увеличение крутящего момента, подводимого к колесу, находящемуся в хороших условиях по сцеплению, по отношению к колесу, сцепление которого недостаточно. Отсюда можно считать, что коэффициент распределения крутящих моментов равен 3. Обычный дифференциал с коническими шестернями в ведущем мосту автомобиля при передаточном числе 1 передает к обоим колесам крутящий момент одной и той же величины. Это приводит к тому, что при пробуксовывании одного из колес ситуация складывается такая, как если бы оба колеса находились в условиях слабого сцепления. Следовательно, дифференциал повышенного трения, имеющий коэффициент распределения крутящих моментов К = 3, в отличие от обычного дифференциала позволяет увеличивать силу тяги на скользких поверхностях, когда сцепление левого и правого колес различается.

Убедиться в том, что дифференциал во время вращения делит передаваемый крутящий момент пополам, можно путем блокировки одного из выходных звеньев и вращения входного звена (корпуса дифференциала). Другое выходное звено совершает в этом же время удвоенное число оборотов в том же направлении.

5.2.1. Двухрядные кулачковые дифференциалы

Дифференциал фирмы «Мак траке» основан на принципе взаимодействия кулачков с сухарями, выполненными в форме клиньев. Это, в сущности, относится к дифференциалам, работающим при вращении и делящим входной крутящий момент поровну без учета повышенного внутреннего трения. Такой дифференциал аналогично обычному дифференциалу с коническими шестернями удовлетворяет всем приведенным выше требованиям. Особенностью кулачкового дифференциала является то, что он позволяет создавать довольно большое внутреннее трение при сохранении высокой компактности конструкции.

5.2.1.1. Описание конструкции и действия

В соответствии с рис. 3.75—3.77 ведущее звено, выполненное в виде обоймы, содержит два кольца (ряда) из клиновых сухарей, скользящих в радиальном направлении. Одно кольцо имеет 12 сухарей, расположенных через 30°. Обойма допускает ограниченное движение сухарей вдоль их оси симметрии и исключает их проворот. Это предусмотрено для того, чтобы клиновые края оставались параллельными оси выступов кулачка. Клиновые сухари большого но-минальнощ диаметра (равного 25,4 мм) для обеспечения необходимого контакта с кулачком выполнены с внутренним контуром, отличным от наружного. При меньших размерах сухарей (с номинальным диаметром 17,5 мм) достаточный контакт можно получить и при одинаковых контурах с обеих сторон.

Другое кольцо аналогично первому. Различие заключается только в том, что оно повернуто относительно первого кольца на 15°. Оба звена приводятся в движение соосными кулачками (наружным и внутренним) цилиндрической формы, имеющими одинаковое количество выступов. В исходном положении между ними по радиусу образуется зазор, равный ширине (рис. 3.76, а). Траектория движения обеих поверхностей сухаря образует отрезок спирали Архимеда, что обеспечивает постоянное перемещение по радиусу при равных угловых смещениях. Чтобы происходило непрерывное повторение процесса взаимодействия кулачка с сухарем, эти отрезки должны иметь выступы. При симметричном положении выступов каждый ведущий сухарь будет находиться против соответствующего ему выступа в углублении кулачка (рис. 3.76, а). На рис. 3.76, б показано изменение зазора между кулачками в области, лежащей справа от вертикальной оси симметрии в пределах 1 рад и содержащей выступ С внутреннего кулачка, который повернут на 30°. Вначале зазор между кулачками равен высоте сухаря, а затем, вследствие приближения наружного кулачка уменьшается справа и увеличивается слева в результате перемещения внутреннего кулачка. Уменьшение и рост зазора происходят равномерно по мере прохождения криволинейного пути. В итоге, независимо от угла, на который выступ С

Рис. 3.75. Схема двухрядного кулачкового дифференциала [36]:

1 — корпус; 2 — внутренний кулачок для левого колеса: 3 — наружный кулачок для правого колеса; 4 — коническая главная передача

Рис. 3.76. Часть дифференциала, в которую входит корпус внутреннего кулачка [36]:

а — начальная уст новка кулачков; б — внутренний кулачок повернут на 30° вправо (по часовой стрелке) по отношению к начальному положению: 1 и 4 — сухари Ви А\ 2 и 7—углубления Е и D; 3 — наружный кулачок; 5 — обойма; 6 — выступ С; 8 — внутренний кулачек

внутреннего кулачка повернулся вправо от углубления Е наружного кулачка, сухарь должен располагаться посередине угла.

Имеется только одно положение, в котором зазор равен высоте сухаря. В процессе работы сухари находятся в контакте с обоими кулачками. Центростремительное усилие сухаря А у направленное вдоль его оси и возникшее вследствие вращения наружного кулачка, вызывает вращение внутреннего кулачка относительно обоймы в противоположном направлении по мере того, как сухарь А скользит вниз по левой стороне выступа С. Противоположная ситуация возникает соответственно для сухаря В и других пар сухарей, в связи с чем они занимают соответствующие положения относительно ведущей обоймы в обоих направлениях. Из описания работы следует, что при задержке наружного кулачка ведущее колесо обоймы вместе с сухарями поворачивается на половину угла в том же направлении, что и внутренний кулачок. Вращательное движение происходит аналогично тому, как и в обычном дифференциале с зубчатыми колесами. Движение сухарей вдоль осей вызывает такое же движение кулачков в противоположном направлении относительно обоймы сухарей. Кулачковый дифференциал этого типа является механизмом с постоянным передаточным числом, имеющим такую же точность, как и в обычном дифференциале с зубчатыми колесами, причем эффективность их работы одинакова. Условием равного распределения крутящего момента (в отношении 1/2 : 1/2) является равенство числа выступов во внутреннем и наружном кулачках. Теоретически неравное распределение крутящего момента будет при неравном числе выступов для внутреннего и наружного кулачков. Например, удваивая число выступов для одного из кулачков, можно получить распределение входного крутящего момента в отношении от 1/3 до 2/3, если не учитывать влияния внутреннего трения.

Рис. 3.77. Разрез кулачкового дифференциала [36]:

1 — сухарь первого кольца; 2 — наружный кулачок; 3 — обойма; 4 — внутренний кулачок; 5 — ось выходного вала; 6 — сухарь второго кольца Характерным и очевидным свойством этого механизма является то, что сухарь, перемещаясь по кривой конечной длины, совершает возвратно-поступательное движение. Изменение направления движения происходит через каждые 30° перемещения сухаря относительно кулачка, так как под таким углом попеременно расположены выступы и углубления. Момент изменения направления сухарями одного кольца показан на рис. 3.76, а, на котором все сухари находятся на выступах кулачков или в углублениях, а оба кулачка (наружный

и внутренний) располагаются симметрично относительно друг друга. Находясь в таком положении, сухари кольца перестают приводить в движение кулачки. Проблема привода решается путем разделения кулатаа на две кулачковые части, лежащие рядом на общей ступице, и поворотом одной части относительно другой на 30°.

Второе кольцо с 12 сухарями действует на второй внутренний кулачок, а оба кольца—на наружный кулачок, который не делится на две части, как внутренний (см. рис. 3.77). Так как цикл движения одного сухаря от одного выступа до другого охватывает угол 60°, то в результате поворота на 30° другого конца сухаря он займет положение, противоположное первому кольцу сухарей. Это, в свою очередь, обеспечивает непрерывность передачи крутящего момента. Согласно изложенному в рассматриваемом устройстве должны быть по меньшей мере два сдвинутых по фазе сухаря.

Работа кулачкового дифференциала. В соответствии с рис. 3.78 одна из двух пар кулачков находится в таком положении, что кулачки все время несимметрично смещены. При заданном направлении вращения часть, состоящая из 12 сухарей, зажата на участке сужения зазора между кулачками, что приводит к движению кулачка. Если автомобиль движется назад, то оставшаяся часть сухарей сдвигается в противоположном направлении межкулачкового зазора. Если движение происходит против часовой стрелки, то сила F, действующая на сухари, направлена по нормали к поверхности кулачка в"точках В и Е контакта с сухарем. Со стороны наружного кулачка действует реакция F_ne> а со стороны внутреннего — реакция F_ni. Окружные составляющие этих сил для наружного кулачка обозначены F_te и для внутреннего F_ti.

Так как наклон наружного кулачка всегда меньше внутреннего, то можно принять, что окружная сила на наружном кулачке меньше, чем на внутреннем. Эта разница компенсируется самопроизвольно благодаря тому, что плечо r_e = ОЕ силы наружного кулачка длиннее, чем плечо силы r_t = OB для внутреннего кулачка в той же пропорции. Такое положенле поддерживается постоянным независимо от смещения кулачков друг относительно друга. В связи с этим, если не учитывать внутреннее трение, крутящие моменты, прило

Рис. 3.78. Типичное положение кулачков в кулачковом дифференциале, когда дифференциальное действие отсутствует (одинаковые моменты на выходных валах) [36]:

1 — наружный кулачок: 2 — сухарь; 3 — обойма: 4 — внутренний кулачок; О — центр дифференциала

женные к внутреннему и наружному кулачкам, будут равны, хотя, на первый взгляд, должно быть иначе. Это подтверждается приведенными ниже расчетами [см. уравнения (3.86) — (3.97)]. На рис. 3.78 дифференциал занимает положение, соответствующее нормальным условиям передачи крутящего момента, т. е. дифференциальное действие отсутствует и на выходах одинаковые моменты.

На рис. 3.79, а показано направление сил трения, действующих со стороны кулачков на сухарь, в момент начала дифференцирования скоростей при более медленном вращении наружного кулачка (если медленнее будет вращаться внутренний кулачок, то направления стрелок будут противоположными). Так как выше было доказано, что звенья дифференциала вращаются обычным способом (т. е. при задерживании вращения ведущего звена оба кулачка вращаются в противоположных направлениях), то при дифференцировании, как показано на рис. 3.79, а, трение наружного кулачка будет препятствовать движению сухаря, что повлияет на рост крутящего момента на наружном кулачке. Действие силы трения внутреннего кулачка совпадает с движением сухаря, поэтому уменьшается крутящий момент, приходящийся на внутренний кулачок. На рис. 3.79, б показано действие сил внутреннего трения. Треугольники, образуемые штриховыми прямыми, показывают величину векторов сил, когда дифференциальное действие, показанное на рис. 3.78, не возникает и выходные моменты на наружном и внутреннем кулачках равны между собой. Треугольники, образуемые сплошными прямыми, отражают изменение векторов, т. е. к окружной силе F_ie = EG добавляется вектор силы трения F_fe = GH. Подобным же образом сила трения внутреннего кулачка F_fi = CD отнимается от вектора окружной силы F_ti = BD. Так как плечи сил r_t == OB и т_е = ОЕ

а — направления действия тормозящих сил: б — система действующих в дифференциале сил; 1 — наружный кулачок, вращающийся медленнее; 2 — направление скольжения толкателя по наружному кулачку; 3 — сухарь: 4 — обойма: 5 — направление скольжения сухаря по внутреннему кулачку; 6 — внутренний кулачок, вращающийся быстрее: 7 — направление вращения всех звеньев против часовой стрелки; 8 — равнодействующая сила; F_ne — нормальная сила; О — центр дифференциала

Рис. 3.79. Дифференциальное действие дифференциала:

не равны между собой, то очевидно, что прибавление или вычитание силы трения вызывает увеличение момента для наружного кулачка и соответствующее уменьшение для внутреннего кулачка [для проверки можно сравнить расчеты, выполненные по уравнениям (3.98) — (3.106)]. Это именно то действие, которое обусловливает распределение крутящих моментов в дифференциале, с помощью которого можно получить необходимое увеличение крутящего момента на колесе, вращающемся медленнее или с большим коэффициентом сцепления (в случае движения по скользкой поверхности) и повышение, таким образом, суммарной силы тяги.

Из рис. 3.79, б видно, что распределение крутящих моментов под действием внутреннего трения происходит пропорционально векторам F_fe и F_fi, которые, в свою очередь, пропорциональны радиальным силам F_re и F_ri и соответствующим им нормальным силам F_ne и F_ni. Нормальные силы зависят, в свою очередь, от наклона выступа кулачка. Отсюда видно, что, уменьшая наклон выступа, можно получить увеличение коэффициента распределения крутящих моментов.

Интересным свойством конструкции является то, что момент от сил 'трения на наружном кулачке всегда больше, чем на внутреннем. Отсюда следует, что окружные силы трения F_fe и F_fi (если имеется одинаковый коэффициент трения), действующие на сухарь, равны, но плечи действия их г_е и r_t разные. Так как наружный кулачок имеет большее плечо, то момент сил трения на нем больше. Эта разница обусловливает особенность работы дифференциала, заключающуюся в том, что для каждого способа действия дифференциала существует свой коэффициент распределения крутящих моментов.

При распределении крутящего момента моменты от сил трения соответственно прибавляются на одном кулачке и вычитаются на другом, когда дифференциал работает по одному способу, и наоборот, — в случае работы по другому способу (противоположное относительное движение кулачков). В результате коэффициент распределения крутящих моментов для обоих случаев работы дифференциала не одинаков. Когда медленнее вращается наружный кулачок, коэффициент распределения крутящих моментов в среднем равен около 2. Если медленнее вращается внутренний кулачок, то коэффициент распределения крутящих моментов в среднем равен около 3. Математическое обоснование этой разницы дано в расчетах [см. уравнения (3.106) — (3.109)].

В соответствии с рис. 3.79, б коэффициенты распределения крутящих моментов равны только тогда, когда окружная сила сопротивления трения F_fe наружного кулачка будет меньше, чем окружная сила сопротивления трения F_fi внутреннего кулачка, настолько, что моменты от обеих сил трения равны. В приведенной конструкции такая ситуация не возникает, хотя имеется мнение, что этот недостаток компенсируют достоинства, обусловливаемые переносом действующих сил на кулачки и исключительной компактностью конструкции.

 

5.2.1.3. Рекомендации по конструи рованию, изготовлению и испытанию

Результаты исследований. Проверкой теоретических выводов являются, конечно, контрольные лабораторные исследования. Фирма «Мак траке» проводила их следующим образом. На обеих полуосях устанавливались тензометрические датчики, проградуированные в единицах измерения крутящего момента. Такой же датчик размещался на входном валу заднего моста грузового автомобиля. С помощью магнитных датчиков, установленных на каждом колесе, определялась частота вращения колес. Грузовой автомобиль, предназначенный для испытаний, загружался до максима-льно допустимого веса. Автомобиль обеспечивал работу дифференциала во всех нормальных условиях, таких как: 1) прямолинейное движение по горизонтали с постоянной скоростью и ускорением; 2) повороты налево и направо с определенным радиусом; 3) спиральное движение влево и вправо с постоянной скоростью; 4) трогание с места на подъеме; 5) движение на виражах с наклонами.

Рис. 3.80. Результаты исследования коэффициента распределения крутящих моментов в межколесном дифференциале — степень увеличения крутящего момента на полуоси в функции отношения частот вращения полуосей (правая полуось связана с наружным кулачком, а левая — с внутренним кулачком) [36]

Результаты приведены на рис. 3.80. Из рисунка следует, что, когда наружный кулачок вращается медленнее, дифференциация происходит при среднем значении коэффициента /С = 2,1. Для ситуации, когда внутренний кулачок вращается медленнее, получено среднее значение коэффициента К = 3,2. Это наглядно подтверждает тот факт, что в дифференциале, вследствие внутреннего трения, распределение крутящих моментов происходит так, как и ожидалось по направлению действия и отношению величин.

Смазывание. Существенную роль в популяризации этого дифференциала сыграли последние достижения в области смазочных материалов, более эффективных присадок. Характер движения вследствие прижатия и отрыва поверхностей длительное время был основной проблемой для создателей всех видов дифференциалов повышенного трения, а при работе в тяжелых,условиях он иногда приводил к поломке. Рассмотренная конструкция, в связи с высокими давлениями и наличием скольжения при использовании обычных минеральных масел характеризуется случаями прилипания и отрывания поверхностей, которые сопровождаются специфическими звуками. На протяжении ряда лет, по мере того как возрастали требования к ведущим мостам грузовых автомобилей, во время работы дифференциала часто возникало прерывистое движение, приводившее к появлению задиров и трещин на сухарях.

В конце 50-х годов были разработаны присадки к маслам, предназначенные для дифференциалов. повышенного трения, применяемых в легковых автомобилях. Однако практически не было ничего подобного для грузовых автомобилей большой грузоподъемности. В начале 60-х годов фирма «Мак траке» в сотрудничестве с поставщиками применила рассмотренный кулачковый дифференциал в качестве испытательного механического устройства. Это устройство очень подходило для определения различий между маслами, так как во время дифференциального действия при движении автомобиля по закруглению малого радиуса оно издавало выразительный звук, сопровождавший каждый случай начала прерывистого движения. По общему числу подачи этих звуков во время контрольного испытания устанавливалось качество масла.

Результаты испытаний детали на прочность дополняли уже имевшиеся данные. Были определены условия проведения испытания на появление прерывистого движения. Такие испытания проводились на тягаче (колесная формула 4x2) с прицепом, оборудованным рассматриваемым дифференциалом. Тягач проезжал 500 раз по кольцу диаметром около 30,5 м при значительно перегруженной главной передаче.

Было установлено, что обычные минеральные масла и присадки SCL (серно-хлорно-свинцовые), разработанные в 40-х годах, не предотвращали прерывистого движения в дифференциалах, а также происходивших из-за него механических повреждений в период контрольных испытаний. Во время длительных испытаний, проведенных в 1963 г., было установлено, что присадки соединений серы, фосфора и хлора вместе с дополнительными смазывающими составляющими (фирма «Мак» приняла для этих присадок название GOD) значительно улучшают работу и повышают срок службы рассматриваемого механизма [41 ]. Во время последних ускоренных испытаний с использованием старых присадок SCL на пяти грузовых автомобилях часто наблюдались прерывистое движение и повышенный износ деталей. В то же время на 500 грузовых автомобилях со смазывающими составляющими GOD и с добавкой соединений серы, фосфора и хлора в масле звуковых сигналов прерывистого движения и износа деталей обнаружено не было. В настоящее время фирма «Мак» улучшила масло типа GOF, отказавшись от хлора, что позволило повысить допустимую эксплуатационную температуру и применить одно и то же масло в коробке передач и в главной передаче. Основной присадкой стала серо-фосфорная, что главным образом и привело к устранению недостатков, связанных с обслуживанием. Так как эта присадка подходит и для гипоидных передач, то большинство марок масел для ведущих мостов относится к маслам этого типа.

Чувствительность рассмотренного дифференциала к смазочному материалу и простота испытания масел различных сортов на слух и визуально склонили фирму «Мак» включать результаты этих исследований в число показателей, характеризующих масла GOF, применяемые в коробках передач и ведущих мостах.

Рекомендации по изготовлению. На протяжении ряда лет повышалась точность изготовления и доводки, совершенствовались методы производства, что привело к определенным успехам. Детали такого дифференциала, хотя и не выпускаются в большом количестве, все-таки сложны для изготовления с необходимой степенью точности. Точность является основным условием одинакового на-гружения сухарей, что, в свою очередь, определяет способность дифференциала к передаче всего крутящего момента.

Особого внимания заслуживают изменения, произошедшие в технологии изготовления внутреннего кулачка. Первоначально заготовку грубо обрабатывали на вертикально-фрезерном станке, затем начисто обтачивали и окончательно полировали вручную. При новом методе изготовления кулачки рассматриваются как зубчатые колеса. Станок «Феллоуз» для долбления заготовки кулачка с шестью выступами в течение 3 мин грубо обрабатывает обе кулачковые детали. Окончательная обработка осуществляется на специальном станке «Феллоуз», используемом для окончательной обработки зубчатых колес, известной как «Фини-шиар» (Fini-shear). Фреза в форме кулачка, взаимодействуя с поворачивающимися деталями, устраняет все погрешности контура, деления и размеров, снимая слой материала толщиной 0,2—0,4 мкм. Время обработки детали уменьшилось с 21 мин до 7 мин, а качество обработки повысилось.

Сухарь является другим элементом, контур и длина которого играют очень важную роль. Первоначально концы сухарей обрабатывались на токарно-копировальном станке, а боковые поверхности фрезеровались отдельно. В настоящее время эти операции выполняются за проход цепного конвейера через отверстия протяжки и обеспечивают длину сухаря с погрешностью 0,05 мм. Затем на самоналаживающемся станке происходит сортировка сухарей на четыре группы с допуском по 0,013 мм. Комплект из 24 сухарей подбирается для одного дифференциала целиком из сухарей одной группы, так что их длины не различаются более чем на 0,013 мм.

Точность длины сухарей не имела бы значения, если бы расстояния между отверстиями в обойме не выдерживались очень точно. Эти отверстия выполняются на специальном станке с высокой угловой точностью попарно соосно с противоположных сторон обоймы. Чистовая обработка осуществляется с помощью развертки на таком же станке, сохраняющем точное угловое деление. После термической обработки отверстия хонингуются.

Хотя определить значение этих производственных усовершенствований в обеспечении хорошей работы механизма сложно, но, по всей вероятности, это значение""очень велико.

Общая оценка. В приведенных материалах дано описание конструкции и работы, теоретические основы и рекомендации по конструированию и изготовлению, связанные с усовершенствованиями кулачкового дифференциала, самого старого среди всех дифференциалов повышенного трения, проведенными фирмой «Мак траке».

Дифференциал еще применяется в ведущих мостах автомобилей и в связи с этим остается в действующем производстве. Хотя дифференциал и очень тщательно разработан теоретически, тем не менее высокая эффективность при эксплуатации в современных грузовых автомобилях возможна только при условии постоянного технологического совершенствования и улучшения качества смазочных масел.

 

5.2.2. Однорядные кулачковые дифференциалы

По-видимому, наиболее известным устройством этого типа является дифференциал ZF повышенного трения, изготовленный фирмой «Цанрадфабрик фридрихсхафен» (рис. 3.81). Этот дифференциал

Рис. 3.81. Кулачковый дифференциал ZF:

а — радиального типа; б — осевого типа: 1 — левая чашка: 2 — венец в виде внутреннего кулачка; 3 — правая чашка; 4 — венец в виде наружного кулачка; 5 — сухари: 6 — обойма с сухарями:

до недавнего времени находил широкое применение в грузовых автомобилях, внедорожных автомобилях и тягачах, а также в спортивных автомобилях. В настоящее время этот механизм фирма ZF изготовляет только по заказу потребителя, а вместо него серийно выпускает -дифференциал «Лок-о-матик». Кулачковый однорядный дифференциал позволяет колесам вращаться с разной частотой, так же как и обычный дифференциал при движении автомобиля по закруглению, а также обеспечивает распределение крутящего момента по полуосям в определенном соотношении. Как только сцепление одного колеса уменьшается или пропадает, движение автомобиля продолжается посредством второго колеса.

Однорядный кулачковый дифференциал радиального типа содержит следующие элементы (рис. 3.81, а):

ведущий элемент в виде обоймы 7, которая заменяет обычный корпус дифференциала;

два ведомых элемента в виде кулачковых венцов 4 и 2, заменяющие выходные шестерни на полуосях;

восемь сухарей 5 в форме ромбов, играющих роль, подобную той, что и сателлиты в дифференциале.

Корпус 1 дифференциала имеет выступающее кольцо, так называемую обойму 6 дифференциала с восемью отверстиями для сухарей 5, которые способны ограниченно перемещаться в радиальном направлении в результате особого расположения выступов наружного кулачка 4 и внутреннего кулачка 2- Внутренний кулачок имеет И выступов, а наружный — 13 выступов. Внутренний кулачок 2 установлен на шлицах левой полуоси, а наружный кулачок 4 — на правой. Крутящий момент подводится к корпусу У, от которого передается к сухарям 5.

Если разница в крутящих моментах, передаваемых обоими концами сухарей к внутреннему и наружному кулачкам, не превышает внутреннего момента трения механизма, то дифференциал не работает. В этом случае часть сухарей 5 заклинивается между кулачками 2 и 4, вызывая их совместное вращение. Если упомянутая разница крутящих моментов превышает внутренний момент трения дифференциала, то кулачки 2 и 4 через сухари приводятся во вращение с разной частотой.

Подобный принцип работы имеет однорядный кулачковый дифференциал осевого типа, показанный на рис. 3.81, б.

_______________________________________________

ЧЕРВЯЧНЫЕ ДИФФЕРЕНЦИАЛЫ

Очень своевременно появились дифференциалы червячного типа, отличающиеся высоким коэффициентом К_b. Первые конструкции появились еще в 30-х годах. Механизм представляет собой частный случай червячного редуктора (рис. 3.82), кинематические свойства которого аналогичны свойствам обычного дифференциала с коническими шестернями.

На рис. 3.82 показан поперечный разрез червячного дифференциала. Сателлитами в дифференциале этого типа являются червяки 3 и 7, отдельно для каждой из выходных шестерен, роль которых в данном случае играют червячные колеса 1 и 9. Ведущий червяк 10 главной передачи зацепляется с червячным колесом 11, связанным с центральной частью 4 корпуса дифференциала, состоящего из чашек 2 и 8. В этом корпусе закреплены оси 5, на которых установлены червячные колеса 6. Колеса, в свою очередь, зацепляются с сателлитами — червяками 3 и 7, а они — с выходными червячными колесами 1 и 9. Таким образом, оба ведущих колеса автомобиля связаны между собой четырьмя взаимодействующими червячными передачами.

Когда разность крутящих моментов, передаваемых червячными колесами 1 и 9, не превышает внутреннего момента трения дифференциала, то он не работает, а червячные колеса 6 только выполняют функции кулачковых муфт. Когда же упомянутая разница крутящих моментов превысит внутренний момент трения дифференциала, то пары сателлитов придут в движение, и дифференциал начнет работать. В случае потери сцепления одним из ведущих колес червячный дифференциал частично блокируется, не давая этому колесу возможности увеличивать частоту вращения.

Рис. 3.82. Червячный дифференциал:

1 и 9 — червячные выходные колеса; 2 — левая чашка дифференциала; 3 и 7 — червяки-сателлиты; 4 — центральная часть корпуса дифференциала; 5 — ось; 6 — червячное колесо; 8 — правая чашка дифференциала: 10 — червяк главной передачи; 11 — червячное колесо главной передачи

Степень блокирования дифференциала зависит от момента внутреннего трения, которое можно определить по углу наклона витков червяков. В существующих конструкциях червячных дифференциалов этот угол равен 24—26°, коэффициент блокировки составляет 8—12. При углах, уменьшенных до 22°, дифференцирование происходит в случае приложения к полуосям противоположно направленных крутящих моментов. В аналогичном дифференциале, сконструированном НАМИ, угол наклона винтовой линии червяка составил 24°. Экспериментально найденный коэффициент блокировки для разных условий работы составлял 6—10. Испытания дифференциалов, проведенные НАМИ на трехосных грузовых автомобилях «Урал-375», показали высокую их эффективность [42].

Расчетный механический КПД т]_т дифференциала для случая относительного вращения полуосей равен произведению КПД отдельных червячных передач при передаче крутящего момента с червячного колеса одной полуоси на другую [19*], т. е.

Чт = Лгадз'Гк, (3.110)

где t]i — КПД при передаче мощности с червячного колеса 1 на червяк 5; г\₂ — КПД при передаче мощности с червяка 3 на сателлит 6\

Рис. 3.83. Червячно-винтовой дифференциал

— КПД при передаче мощности с сателлита 6 на червяк 7;— КПД при передаче мощности с червяка 7 на червяк 9.

В свою очередь, КПД каждой червячной передачи

(3.111)

где— КПД с учетом потерь в зацеплении;— КПД с учетом потерь в подшипниках;— КПД с учетом потерь на разбрызгивание и перемешивание масла [19*].

Зная, можно найти коэффициент блокировки червячного

дифференциала

(3.112)

На рис. 3.83 показана конструктивная схема червячно-винтового дифференциала фирмы «Уолтер» (США), применяемого в грузовых автомобилях с колесной формулой 4X4, работающих в тяжелых дорожных условиях. Особенностью этого дифференциала является отсутствие среднего ряда сателлитов и непосредственное зацепление червяков (точнее — винтовых цилиндрических шестерен) правого и левого ряда.

Для обеспечения взаимно противоположного вращения полуосей сателлиты обоих рядов выполнены с одинаково направленными винтовыми линиями. Угол винтовой линии относительно оси сателлита равен 30°, а угол между осями сателлитов — 60°. Средней частью зубьев сателлиты зацепляются с червячными колесами полуосей, а концами зубьев — с сателлитами. Следует иметь в виду, что технология изготовления этого дифференциала сложна, так как его элементы требуют очень точного изготовления.

Дифференциал «Боленсед трэкшн» [45]. В 1936 г. американский инженер К. Масса предложил дифференциал «Боленсед трэкшн»

(известный как В—Т), распределяющий подводимый к ведомой шестерне главной передачи крутящий момент таким образом, что большая часть момента передается колесом, имеющим большее сцепление. Этот механизм в основном состоит из зубчатых колес, находящихся в постоянном зацеплении, и никаких других устройств (блокирующих, заклинивающих, фрикционных или тормозных) в нем нет. Конструкция, показанная на рис. 3.84, предназначена для легковых автомобилей с двигателем рабочим объемом до 1,8 л. В конце 60-х годов демонстрировался легковой автомобиль, оборудованный прототипом такого дифференциала. Было показано, что такой автомобиль может выполнять повороты на высокой скорости без'пробук-совки и ухода с заданного направления движения.

Момент подводится к дифференциалу В—Т обычным способом — от ведущей и ведомой шестерен главной передачи. Фланец на корпусе дифференциала служит для крепления ведомой шестерни. Две конические шестерни 3 и <5, связывающие полуоси, размещены в корпусе 7, причем оси этих шестерен перпендикулярны оси корпуса и параллельны между собой. Коническая шестерня 3 приводит во вращение коническую шестерню родной полуоси (или вала) так же, как и коническая шестерня 8 коническую шестерню 9 другой полуоси (или вала). На валах конических шестерен 3 и 8 установлены винтовые дифференцирующие шестерни 5 и 1, которые, в свою очередь, зацепляются с общей управляющей цилиндрической шестерней 2. Эта шестерня расположена в корпусе таким образом, что ее ось перпендикулярна оси дифференцирующих шестерен 5 и 1. Так щк обе полуоси (или вала) вращаются с одинаковой"^частотой, очевидно, нет относительного движения между дифференцирующими шестернями, и крутящий момент делится поровну между обоими ведущими колесами.

Рис. 3.84. Один из двух основных типов дифференциала В — Т, применяемого для легковых автомобилей с рабочим объемом двигателя до 1,8 л [45]:

1 и 5 — цилиндрические винтовые шестерни (дифференцирующие). 2 — цилиндрическая винтовая шестерня (управляющая); 3 и 8 — конические шестерни, связывающие полуоси; 4 и 9 — конические шестерни полуосей: 6 — фланец корпуса для крепления ведомой шестерни главной передачи; 7 — корпус дифференциала

Если автомобиль движется криволинейно, так что возникает разница между скоростью опережающего и отстающего колес при одинаковом сцеплении обоих колес с дорогой, дифференцирующие колеса вращаются с частотой, пропорциональной этой разнице.

Когда появляется различие в сцеплении того или иного колеса с опорной поверхностью, шестерня, связанная с ведущим колесом, сохраняющим сцепление, блокируется, а шестерня, связанная с ведущим колесом, потерявшим сцепление, вращается. Так происходит из-за трения между управляющей шестерней и дифференцирующими шестернями. Сопротивление, возникающее при вращении управляющей шестерни и дифференцирующих, используется для приведения в действие тормозящего или управляющего механизма. Если крутящие моменты неодинаковы, то полуось, на которой возникает большая сила тяги, способствует увеличению сопротивления на зубьях дифференцирующей шестерни. Это вызывает рост трения между этой шестерней и управляющей шестерней до величины, большей, чем это имеет место между дифференцирующей шестерней другой полуоси и управляющей шестерней. Вследствие этого дифференцирующую шестерню, имеющую внешнее сопротивление, легче привести в движение посредством корпуса, чем другую шестерню. Факторы, влияющие на трение, такие как вид материала шестерен и смазочного материала, также играют роль в работе дифференциала, w Эти факторы учитываются при выборе угла наклона зуба управляющей шестерни.

Как уже упоминалось, представленная конструкция предназначена для легковых среднелитражных автомобилей. Такая конструкция обозначается 2—1, а вариант 4—4 предназначен для автомобилей, оборудованных двигателями большого рабочего объема. По-видимому, большая модель имеет четыре дифференцирующих колеса и четыре управляющих Применение механизма такого типа, вероятно, влияет на расход топлива и срок службы шин. Этот механизм производится фирмой «Метрон юроп» (Мальта).

Дифференциал «Тру трэк» [15, 46]. Отделение фирмы «Эспроу» в Детройте (США) разработало дифференциал повышенного трения, работающий в зависимости от разницы крутящих моментов. В принципе этот дифференциал является механизмом с сателлитами (рис. 3.85), отличие которого от обычного дифференциала заключается в том, что сателлиты имеют винтовые зубья (а не прямые) и размещены в отверстиях, представляющих собой гнезда для вершин зубьев, а не устанавливаются на' осях, проходящих через их центра. Каждая шестерня пары зацепляется с выходной шестерней, что создает условия, необходимые для работы дифференциала. На участке взаимного зацепления шестерни опираются на центральную дистанционную втулку, расположенную между выходными шестернями.

t Крутящий момент двигателя, преобразованный в коробке передач, прикладывается к сателлитам в точках, расположенных на максималь-

Рис. 3.85. Дифференциал «Тру-трэк» фирмы «Эспро» [46]:

а — для грузового автомобиля грузоподъемностью 2 т; б — для применения с ведомой шестерней главной передачи диаметром 114,2 мм !

ном диаметре, что вызывает появление момента трения, препятствующего вращению сателлитов. Если это сопротивление не одинаково для обоих выходных звеньев механизма, то и нагрузка на зубьях каждого механизма не будет равной, и осевые составляющие обоих видов нагрузки не уравновесятся. Поэтому, когда дифференциал стремится провернуться под действием приложенного крутящего момента, какая-либо группа сателлитов приводится в движение силами, действующими на зубья со стороны гнезд в корпусе дифференциала.

Отверстия гнезд в картере выполнены несколько коническими, в результате чего осевое усилие вызывает значительный рост сил, действующих между гнездом и сателлитом. Углы наклона зуба и конуса отверстия гнезда подобраны такими, чтобы сателлит зажимался, вызывая блокировку дифференциала. Однако это происходит только тогда, когда крутящий момент отличается от обычно действующего при движении. Так как выходные шестерни передают крутящий момент только на ведущие колеса с шинами, блокировка не ускоряет изнашивание дифференциала.

На рис. 3.86 даны результаты испытаний дифференциала «Тру-трэк», связанного с ведомой шестерней главной передачи диаметром 228,6 мм. На автомобиле был установлен V-образный восьмицилиндровый двигатель модели 302, трехступенчатая механическая коробка передач, два электродинамических тормоза и разные измерительные устройства. Момент, развиваемый двигателем, увеличивается в коробке передач (включена низшая передача с передаточным числом 3), а затем по карданному валу с шарнирами передается на ведущую шестерню главной передачи. С каждой полуосью связан тормоз, причем для одного колеса создается сильное сцепление, а для другого — слабое (колесо буксует). Ни при одном эксперименте полу ось'^не^блокировалась.

Температура масла перед измерениями была 60 °С. Частота вращения вала двигателя поддерживалась постоянной. Управляя тормозом, можно было регулировать сопротивление трения буксующему колесу (колесо с малым сцеплением) и определять возникающий при этом крутящий момент на правом колесе (колесо с высоким сцеплением). Эксперименты повторялись в целях определения коэффициентов распределения крутящих моментов между колесами в обоих направлениях.

Полученный в результате график распределения крутящих моментов (см. рис. 3.86) учитывает непрерывную работу дифференциала, начиная с малого крутящего момента на буксующем колесе до самой блокировки. Одновременно измерялись тормозной момент и разрежение во впускном трубопроводе двигателя. Зная разрежение и частоту вращения вала двигателя, можно найти выходной крутящий момент двигателя. Поделив крутящий момент на колесе с высоким сцеплением на момент на колесе с низким сцеплением, можно найти коэффициент распределения крутящих моментов. Рассматриваемая кривая представляет коэффициент распределения крутящих моментов в функции крутящего момента на ведущем валу главной передачи при постоянной частоте вращения вала двигателя 1000 об/мин.

Приведенные результаты испытаний показывают, что при малых крутящих моментах дифференциал повышенного трения «Тру-трэк» работает почти как обычный дифференциал с коэффициентом распределения моментов К = 1. Вместе с увеличением крутящего момента возрастает и коэффициент К• Испытания показали, что распределение крутящих моментов в большей степени зависит от момента, чем от частоты вращения. В связи с этим при движении по автомагистралям, когда имеются малые крутящие моменты и высокие скорости, механизм «Тру-трэк» работает как обычный дифференциал. Дифференциал «Тру-трэк» остается заблокированным при моменте около 950—1009 Н-м. Это желательно, так как это тот уровень, на котором необходима большая сила тяги.

Фирма «Эспроу» отмечает следующие стороны дифференциалов «Тру-трэк»: распределение крутящих моментов осуществляется без применения фрикционных муфт; срок службы механизма соответствует сроку службы всей трансмиссии; достигается мягкая работа и оптимальная характеристика ходовых качеств автомобиля; широкая сфера применения (от микролитражных легковых автомобилей до больших грузовых автомобилей и специальных машин); автоматическая работа, не требующая вмешательства водителя; используется обычный смазочный материал; работает кинематически точно при движении вперед и назад; сохраняется высокая управляемость автомобиля в связи с отсутствием предварительно нагруженных элементов.

___________________________________

ДИФФЕРЕНЦИАЛЫ С ГИДРАВЛИЧЕСКИМ СОПРОТИВЛЕНИЕМ

Как уже упоминалось, в определенных случаях большой момент внутреннего трения ухудшает управляемость и устойчивость движения автомобиля. К этим случаям относится криволинейное движение, а также прямолинейное движение с разными радиусами качения ведущих колес. Очень полезным для внедорожных транспортных средств является дифференциал с переменным внутренним сопротивлением, меняющимся вместе с относительной частотой вращения полуосей. Этим требованиям отвечает специальный дифференциал с гидравлическим сопротивлением.

На рис. 3.87 показана одна из конструкций дифференциала с гидравлическим сопротивлением, в котором применен лопастной насос.

Рис. 3.87. Дифференциал с гидравлическим сопротивлением [12]:

1 — кольцо насоса: 2 — входной канал: 3 — ротор лопастного насоса; 4 — пружина для поднятия лопастей; 5 — лопасть: 6 — регулировочный клапан; 7 — выходной канал; 8 — устройство, распирающее выходные шестерни: 9 — масляный черпак: 10 — диск насоса

Ротор этого насоса установлен на шлицах выходной шестерни дифференциала и приводится во вращение от этой шестерни. В пазах ротора расположены лопасти 5, прижатые к рабочей поверхности двумя плоскими пружинами 4. Одна из поверхностей, ограничивающих рабочее пространство насоса, выполнена в кольце 1, жестко связанном с корпусом дифференциала. Масло засасывается насосом из корпуса дифференциала через каналы 2, находящиеся в диске 10, и нагнетается через клапан 6 и каналы 7 внутрь корпуса. В связи с применением лопастного симметричного насоса, способного работать в обоих направлениях движения относительно кольца, применено по четыре входных и выходных канала. Однако во время работы насоса попеременно используются по два входных и выходных канала. В это время два входных канала, находящиеся на нагнетательной стороне насоса, закрыты.

Диск 10, замыкающий лопастной насос с внутренней стороны, вставлен в корпус дифференциала таким образом, чтобы было невозможно осевое перемещение ротора. Распирающее устройство <§, действующее через выходную шестерню, обеспечивает постоянное прилегание ее к диску ротора. Это устройство работает постоянно и независимо от осевых составляющих сил зацепления сателлитов с выходными шестернями.

Подвод трансмиссионного масла внутрь корпуса дифференциала обеспечивают два черпака 9. Они выполнены таким образом, что один из них работает, когда автомобиль двигается вперед, а другой — когда назад. Минимальное давление масла, выходящего из насоса, определяется усилием пружины в клапане 6.

При движении автомобиля с одинаковыми частотами вращения ведущих колес масляный насос не работает. С момента появления разницы в частотах вращения колес лопастной насос начинает перекачивать масло, находящееся в корпусе дифференциала. Возникающее при этом гидравлическое сопротивление будет тем больше, чем больше разница частот вращения колес.

На основании анализа [12] динамических качеств дифференциала с гидравлическим сопротивлением можно сделать следующие выводы.

1. Момент гидравлического сопротивления растет пропорционально квадрату относительной частоты вращения вала насоса, т. е. квадрату разности частот вращения обеих полуосей. Такой характер изменения момента сопротивления целесообразен в связи с разнообразием условий движения автомобиля по твердым дорогам и бездорожью.

2. При работе дифференциала появляется циркулирующая мощность, вызывающая дополнительное нагружение полуосей и дифференциала. На величину момента, определяемого этой мощностью, влияет в основном момент гидравлического сопротивления, который не является постоянной величиной, а изменяется указанным выше способом (момент трения в случае дифференциала с коническими шестернями относительно невелик). В отличие от дифференциала с постоянно повышенным моментом трения изменение момента гидравлического сопротивления положительно влияет на сопротивление усталости элементов, передающих эту мощность.

3. Отрицательным свойством дифференциалов с гидравлическим сопротивлением является то, что момент гидравлического сопротивления в значительной степени зависит от вида и состояния нагнетаемого масла, и прежде всего от его температуры. С ростом температуры уменьшается вязкость масла, а это, в свою очередь, приводит к уменьшению гидравлического сопротивления.

4. Для получения необходимых моментов гидравлического сопротивления, особенно в грузовых автомобилях и тягачах, требуется создание высоких давлений, дополнительно нагружающих элементы насоса. Эти давления значительно превышают величины, встречающиеся в применяемых в настоящее время масляных насосах.

____________________________________

ПУЛЬСИРУЮЩИЕ ДИФФЕРЕНЦИАЛЫ (С ПЕРЕМЕННЫМ ПЕРЕДАТОЧНЫМ ЧИСЛОМ)

В дифференциалах с переменным передаточным числом (так называемых пульсирующих) крутящий момент распределяется между полуосями переменно, без увеличения сил трения в механизме. На

Рис. 3.88. Обычный конический дифференциал и дифференциал повышенного трения фирмы «Тимкен» [6]

рис. 3.88 показаны комплекты зубчатых колес дифференциала повышенного трения «Хай трэкшн» фирмы «Тимкен» и конических зубчатых колес обычного дифференциала. Дифференциалы «Хай трэкшн», применявшиеся в начале 30-х годов в ведущих мостах фирмы «Тимкен» для грузовых автомобилей, до настоящего времени остаются единственным дифференциалом этого типа, находящимся в производстве. Указанный механизм взаимозаменяем с обычным дифференциалом.

В обычном дифференциале с эвольвентными коническими шестернями профиль зубьев обеспечивает постоянство плеч сил, действующих на шестерни полуосей. В этом случае сохраняется постоянное равновесие крутящих моментов на полуосях. В отличие от этого в дифференциале «Хай трэкшн» сателлит, расположенный между полуосевыми шестернями, служит промежуточным рычагом и в зависимости от своего углового положения относительно оси имеет неодинаковые плечи. Поэтому поворот одной из выходных шестерен

вызывает поворот другой с частотой вращения, изменяющейся в пределах каждого шага поворота сателлита.

На рис. 3.89 показана схема изменения плеч сателлита при его вращении. В случае 1 плечо а (от центра сателлита до точки контакта с зубом левой выходной шестерни), силы, действующей на левую полуосевую шестерню, больше плеча Ь. Из этого следует, что при таком положении сателлита больший крутящий момент будет передаваться на левую полуось. В случае 2 плечи сателлитов а и Ь равны, и к обеим полуосям передаются равные крутящие моменты. В случае 3 отношение плеч а и Ь обратно отношению плеч для случая в результате чего на правую полуось передается больший крутящий момент.

При прямолинейном движении автомобиля, когда оба ведущих колеса имеют одинаковое сцепление с дорогой, дифференциал автоматически устанавливается в положение, соответствующее случаю 2, и обеспечивает равномерное распределение крутящего момента между обеими полуосями. Если сцепление с дорогой одного из ведущих колес уменьшается, то сателлиты автоматически занимают положение, при котором на это колесо будет передаваться меньший, а на другое — больший крутящий момент.

Таким образом, по мере вращения сателлитов, вследствие непрерывной смены плеч, возникает пульсирующее распределение крутящего момента по полуосям. Частота изменения плеч силы (период пульсации) тем меньше, чем больше частота относительного вращения колес и число зубъев шестерен дифференциала. Из этого следует, что наибольший блокирующий эффект достигается тогда, когда начинает пробуксовывать одно из ведущих колес.

Испытания дифференциалов «Хай трэкшн» показали, что, несмотря на применение зубьев шестерен со специальным профилем, не удается добиться значительного повышения проходимости автомобиля, поскольку блокирующие свойства этих механизмов малы. Коэффициент блокировки дифференциалов описанного типа обычно колеблется в пределах 1,25—1,5. Эти значения коэффициентов самые низкие по сравнению с коэффициентами блокировки других дифференциалов повышенного трения.

Рис 3.89. Схема изменения плеч сателлйта в дифференциале повышенного трения фирмы «Тимкен»