Как устроен и работает дифференциал повышенного трения?
Дифференциал повышенного трения устанавливается на автомобиле ГАЗ-66 (рис.) и состоит из двух чашек 1 и 7, опирающихся на роликовые конические подшипники, смонтированные в картере ведущего моста. К левой чашке жестко прикреплен сепаратор 2, в котором просверлено два ряда радиальных отверстий, расположенных в шахматном порядке по 12 в каждом ряду. В отверстия установлены сухари 3, изготовленные из легированной стали, термически обработанные и имеющие высокую твердость. Сухари могут перемещаться и соприкасаться с внутренней (малой) 5 и наружной (большой) 6 звездочками, установленными между чашками 1 и 7. От выпадания и проворачивания сухари удерживаются стопорными кольцами 4. Сепаратор вместе с чашкой дифференциала жестко крепится к ведомой шестерне главной передачи, а звездочки внутренними шлицами соединяются с полуосями 8. На внутренней поверхности звездочки 6 равномерно расположены шесть выступов (кулачков), а на внешней поверхности внутренней звездочки 5 имеется два ряда кулачков, расположенных в шахматном порядке по шесть кулачков в каждом ряду. В рабочем положении сухари соприкасаются с кулачками наружной и внутренней звездочек.
Работает дифференциал так. При движении автомобиля по прямой ровной дороге частота вращения колес одинаковая, все детали дифференциала вращаются как одно целое вместе с ведомой шестерней главной передачи. Крутящий момент от ведомой шестерни главной передачи передается на сепаратор, а от него через заклиненные между кулачками сухари на звездочки и полуоси. Между колесами в этом случае он распределяется поровну. На повороте или неровной дороге, когда одно из колес вращается быстрее другого, с разной частотой вращаются и звездочки дифференциала. Звездочка, соединенная с отстающим колесом, вращается медленнее и вследствие этого своим н кулачками толкает сухари в сторону второй звездочки, ускоряя ее вращение. При этом сухари скользят по кулачкам. Следовательно, на поверхностях кулачков возникают силы трения, направления которых различны на кулачках отстающей и забегающей звездочек: на отстающей звездочке равнодействующая сил трения направлена в сторону вращения, а на забегающей – в сторону, противоположную направлению вращения. Так как силы трения создают момент относительно оси вращения звездочек, то на отстающей звездочке он складывается, а на забегающей вычитается из крутящего момента. Следовательно, момент, передаваемый на отстающее колесо, оказывается больше момента, передаваемого на забегающее колесо. Это положительно сказывается на проходимости автомобиля. Например, при буксовании одного из колес на второе, вращающееся с меньшей скоростью, передается больший крутящий момент, и проходимость улучшается.
В дифференциале повышенного трения коэффициент блокировки, т. е. отношение усилия тяги небуксующего колеса к суммарному усилию на буксующем и небуксующем колесах равен 0,8, тогда как у шестеренного дифференциала он равен всего 0,55. Следовательно, кулачковые дифференциалы повышенного трения создают лучшие условия для прохождения автомобилем скользких участков дороги. В то же время они значительно дороже шестеренных дифференциалов, что и сдерживает их производство для массового внедрения на автомобилях.
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:
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.
Трансмиссия служит для передачи
от двигателя к ведущим колесам
Дифференциал предназначен для распределения крутящего момента между ведущими колесами и позволяет вращаться колесам с разными угловыми скоростями. Дифференциалы по конструкции делятся на шестеренчатые, кулачковые и червячные.
Шестеренчатые дифференциалы по типу используемых зубчатых колес могут быть коническими и цилиндрическими. По крутящим моментам на выходных валах дифференциалы делятся на симметричные (крутящий момент поровну распределяется между выходными валами) и несимметричные.
По распределению крутящего момента конструкция дифференциала может быть:
• с постоянным распределением — конические и цилиндрические;
• с непостоянным распределением — с принудительной блокировкой и самоблокирующиеся, а также пульсирующие, свободного хода (обгонные) и повышенного трения.
При движении автомобиля на повороте его внешнее и внутреннее колеса проходят разные пути. Колесо, катящееся по внутренней кривой, проходит меньший путь, чем колесо, катящееся по внешней кривой. Следовательно, внешнее колесо автомобиля должно вращаться несколько быстрее внутреннего. Это происходит и при прямолинейном движении, если задние колеса автомобиля имеют неодинаковые диаметры, что наблюдается при неравномерном распределении нагрузки в кузове, неодинаковом износе шин, различном внутреннем давлении воздуха в шинах или при движении по неровной дороге. Чтобы ведущие колеса автомобиля могли вращаться с различной частотой, их крепят не на одном общем валe, а на двух, так называемых полуосях, которые соединяются между собой специальным механизмом — дифференциалом, подводящим к полуосям крутящий момент от главной передачи. При наличии нескольких ведущих мостов возникает необходимость применения межосевого дифференциала.
Устройство межосевого дифференциала
автомобиля КамАЗ-5320
В основном применяют шестеренчатые и кулачковые дифференциалы.
Шестеренчатый дифференциал — планетарный механизм с двумя степенями свободы.
Конструкция дифференциала симметрического конического
• корпуса (две чашки — левая и правая);
• сателлитных зубчатых колес (два или четыре);
• ось сателлитных зубчатых колес (крестовина с шипами осей);
• двух полуосевых зубчатых колес.
Крутящий момент с корпуса, являющегося водилом планетарного механизма, через свободно вращающиеся на своих осях сателлитные зубчатые колеса передаются на полуосевые зубчатые колеса, далее через полуоси на ступицы ведущих колес. Скорость вращения полуосей непропорционально зависит от угловой скорости корпуса дифференциала.
Если такой дифференциал использовать в качестве межколесного, то при движении автомобиля угловые скорости колес будут определяться отношением пути, пройденным колесом, и их радиусом качения (при отсутствии скольжения колес). Единственное кинематическое ограничение: на сколько одна полуось обгоняет корпус, на столько другая отстает от него.
В дифференциалах легковых автомобилей обычно два сателлитных зубчатых колеса, установленных на одной общей оси. В дифференциалах большегрузных автомобилей устанавливают по четыре сателлитных зубчатых колеса, а их оси объединяют.
Конструкция кулачкового дифференциала повышенного трения автомобиля ГАЗ-66
• корпуса дифференциала, состоящего из левой и правой чашек;
• наружной звездочки с внутренним кулачковым профилем, которая передает крутящий момент на правую полуось;
• внутренней звездочки с двумя рядами кулачковых профилей на наружной поверхности, которая передает крутящий момент на левую полуось;
• сепаратора, выполненного как одно целое с левой чашкой коробки дифференциала, с двумя рядами отверстий под сухари;
• двадцати четырех сухарей, расположенных в шахматном порядке в отверстиях сепаратора.
Крутящий момент передается через сепаратор сухарям, которые своими торцами взаимодействуют с кулачками. Крутящий момент от сепаратора к кулачкам передают только сухари, находящиеся в сужающихся участках канавки, образованной профилями кулачков, и упирающихся в кулачки, другие сухари в этот момент не работают.
Если полуоси вращаются с разными скоростями, то профили кулачков смещаются относительно друг друга, а работающие сухари, оказавшись в расширяющейся части канавки, работают вхолостую, и вместо них в работу вступают сухари, которые до этого не были задействованы.
Конструкция дифференциала кулачкового повышенного трения автомобиля ГАЗ-66
а — конструкция; б — детали; 1 — сепаратор; 2 — сухарь; 3 — наружная звездочка, соединенная с правой полуосью; 4 — внутренняя звездочка, соединенная с левой полуосью; 5 — колесо главной передачи.
Взаимное смещение профилей кулачков при разных угловых скоростях полуосей сопровождается скольжением сухарей относительно кулачков и сепаратора. Это скольжение, в свою очередь, сопровождается трением, величина которого обеспечивает коэффициент блокировки дифференциалов = 5. При радиальном расположении сухарей коэффициент блокировки зависит от того, какая полуось является отстающей, а какая — опережающей.
В двухрядном кулачковом дифференциале рабочая поверхность широкого наружного кулачка взаимодействует с двумя рядами сухарей, установленных в одном сепараторе, а рабочая поверхность внутренней звездочки состоит из двух профилей, смещенных на половину шага выступов.
Высокая износостойкость кулачкового дифференциала достигается применением высококачественных легированных сталей.