Симметричные и несимметричные дифференциалы
СИММЕТРИЧНЫЕ ДИФФЕРЕНЦИАЛЫ
Конический дифференциал (кинематическая схема дана на рис. 3.1, а и 3.2, а). Обычный дифференциал с коническими зубчатыми колесами, применяемый в грузовых автомобилях, имеет чаще всего четыре сателлита (рис. 3.16) или, реже, три. Большинство легковых автомобилей имеет дифференциалы с двумя сателлитами. Они могут свободно вращаться вокруг шипов неподвижной крестовины, концы которой зажаты между чашками корпуса дифференциала, и постоянно находятся в зацеплении с шестернями полуосей. В общем случае сателлиты опираются на внутренние стенки
Рис. 3.16. Конический дифференциал (без корпуса):
а — в сборе; б — в разобранном виде; 1 — шестерни полуосей; 2 — сателлиты; 3 — крестовина; 4 — опорная шайба шестерни полуоси; 5 — опорные шайбы сателлитов
корпуса через опорные шайбы 5 скольжения, а полуосевые шестерни — через опорные шайбы 4. Составные части (чашки) корпуса дифференциала соединяют между собой с помощью болтов или винтов, причем часто для этого применяют установочные штифты. Корпус дифференциала в большинстве случаев имеет фланец, к которому с помощью болтов или заклепок крепится шестерня главной передачи. Иногда ведомая шестерня соединяется с корпусом дифференциала с помощью болтов, соединяющих обе его чашки.
Каждый из конических сателлитов работает как рычаг между двумя шестернями полуосей, поэтому крутящий момент, снимаемый с корпуса дифференциала, теоретически делится поровну между шестернями полуосей и, следовательно, между ведущими колесами. Такое распределение моментов происходит независимо от траектории движения транспортного средства и дорожных условий.
Конические дифференциалы, отличающиеся высоким механическим КПД, наиболее распространены и находят применение в большинстве автомобилей, преимущественно легковых. Существенный недостаток обычного конического дифференциала заключается в задерживании вращения одного из ведущих колес при скольжении другого колеса данного моста.
Цилиндрический дифференциал. В некоторых автомобилях применяют цилиндрический дифференциал, который отличается от конического только выполнением сателлитов в виде пар цилиндрических шестерен (рис. 3.17). Такая конструкция не нарушает упомянутого выше принципа действия конического дифференциала, причем роль конического сателлита выполняет пара цилиндрических шестерен, а выходных шестерен — цилиндрические шестерни, установленные на концах полуосей. Длину зубьев сателлитов и их положение выбирают такими, чтобы каждый сателлит частью своего
зубчатого венца зацеплялся с цилиндрической шестерней полуоси. Остальной частью зубчатого венца сателлит взаимодействует с другим сателлитом (равным ему по размерам), который зацепляется с цилиндрической шестерней другой полуоси. К корпусу дифференциала болтами крепится ведомая коническая шестерня главной передачи. Вместе с ведомой шестерней вращается корпус дифференциала, а также закрепленные в нем оси сателлитов.
Рис. 3.17. Конструктивная схема цилиндрического дифференциала при главной передаче:
а — конической; б — червячной; 1 и 2 — шестерни полуосей; 3 —корпус дифференциала; 4 и 5 — сателлиты; 6 — шестерня ведомая коническая; 7 — шестерня ведущая коническая; 8 — червяк; 9 — колесо червячное
Недостатком цилиндрического дифференциала является необходимость применения большого числа сателлитов, что усложняет конструкцию и увеличивает массу ведущего моста. Обычно такой дифференциал короче, но при одной и той же передаваемой мощности имеет больший диаметр. Использование дифференциала большего диаметра создает трудности в обеспечении необходимого дорожного просвета автомобиля. Малая ширина оказывается желательной для применения в некоторых отраслях промышленности.
Рис. 3.18. Шариковый дифференциал:
1 — левая полуось; 2 и 6 — шестерни полуосей; 3 — ведущая шестерня главной передачи; 4 — водило; 5 — сателлиты, 7 — правая полуось
Шариковый дифференциал. Оригинальная конструкция автомобильного дифференциала показана на рис. 3.18. В этой конструкции шариковые сателлиты 5 установлены в водиле 4, имеющем форму плоской коробки. Крутящий момент, передаваемый передачей этого типа, не может быть большим вследствие возникновения больших давлений (теоретически нагрузка передается одной точкой), которые приводят к быстрому изнашиванию передачи.
Сложный дифференциал. Оригинальная конструкция главной передачи с дифференциалом ведущего моста производства фирмы «Киркстолл» применена в автотягаче «Энтар» фирмы «Торникрофт» (рис. 3.19). Дифференциал, кроме функции равномерного распределения крутящего момента по обеим полуосям, выполняет роль редуктора, который представляет собой вторую ступень главной передачи. К червячному колесу прикреплен корпус 4 планетарной передачи с коронной шестерней с внутреннего зацепления, установленной в подшипниках 2 и 10. Планетарная передача состоит из шестерни с внутреннего зацепления, солнечной шестерни а и сателлитов b, установленных в водиле 3, которое, в свою очередь, размещено на шлицах левой полуоси 1. Солнечная шестерня а составляет одно целое с ведущей шестерней d, которая вращает шестерню f внутреннего зацепления посредством трех промежуточных шестерен е. Оси этих шестерен установлены на пальцах б, закрепленных в детали 5, которая болтами присоединена к картеру. Шестерня f внутреннего зацепления, выполненная в корпусе 7, установлена на шлицах правой полуоси 8.
Левая полуось вращается в направлении движения вследствие вращения вперед коронной шестерни с внутреннего зацепления.
Рис. 3.19. Главная передача и дифференциал автотягача «Энтар» (фирмы «Торникрофт»). Ведущий мост изготовляет фирма «Киркстолл» :
а — солнечная шестерня планетарной I передачи; b — сателлит планетарной I передачи? с — шестерня внутреннего зацепления планетарной I передачи; d — шестерня ведущая II передачи, е— шестерня промежуточная II передачи; f — шестерня внутреннего зацепления II. передачи; / — левая полуось; 2 — шариковый подшипник левой полуоси; 3 — водило планетарной передачи; 4 — корпус планетарной I передачи; 5 и 9 — опорный элемент; 6 — палец; 7 — корпус II передачи; 8 — правая полуось; 10 — роликовый подшипник
Это происходит в том случае, когда солнечная шестерня а остается неподвижной. Однако, если солнечная шестерня останется свободной, то она будет вращаться в противоположную сторону, поэтому скорость водила 3 и полуоси 1 будет меньше, чем в случае закрепления солнечной шестерни. Вращение солнечной шестерни а назад сопровождается вращением ведущей шестерни d> которая заставляет вращаться вперед правую полуось. Это приводит к некоторому уменьшению частоты вращения.
Так как к полуосям должны подводиться равные моменты, то шестерни d, е и / должны иметь определенное передаточное число по отношениям к шестерням с и а, причем условие симметричности данного дифференциала имеет вид (с/а) + 1 = f/d, в которое необходимо вместо символов шестерен проставить число имеющихся на них зубьев.
Заметим, что для вала, на котором выполнены шестерни а и d, находящиеся в зацеплении с сателлитами Ь и е применены только торцовые опоры. Это обеспечивает равномерное распределение крутящего момента, подводимого к шестерням and, между ними.
Цилиндрический дифференциал с передаточным числом iw = 2. На рис. 3.20 представлены все элементы главной передачи и дифференциала, применяемого в автомобиле «Олдсмобил торнадо», причем схема цилиндрического дифференциала представлена на рис. 3.10. Так как в конструкции ведущего моста приняты интересные решения, рассмотрим их. Чтобы избежать трудностей, обычно возникающих с вертикальным смещением ведущей гипоидной шестерни относительно ведомой, была выбрана конструкция конической главной передачи. Это позволило расположить полуоси на такой высоте, при которой обеспечивается достаточное расстояние от них до масляного резервуара и дорожный просвет не менее 164 мм в полностью груженом автомобиле (пять человек и багаж). В целях выполнения картера главной передачи компактным и узким применен цилиндрический дифференциал. Коронная шестерня внутреннего зацепления (наружный диаметр 250 мм) размещена внутри ведомой шестерни главной передачи.
Масло, используемое для главной передачи, образует достаточно прочную пленку и оказывает хорошую сопротивляемость задиру. Шестерни главной передачи изготовляют из стали 4617 по стандарту SAE, причем для того, чтобы понизить напряжения, применяют крупные зубья. Эксперименты, проведенные с литым стальным корпусом дифференциала, показали, что его твердость недостаточна даже после термообработки. Тогда были применены термо-обработанные поковки из стали 4118 по стандарту SAE. Диаметр делительной окружности шестерни внутреннего зацепления равен 152,4 мм, а диаметральный питч 12 дюйм-1. Солнечная шестерня изготовлена из стали 4617 по стандарту SAE. После долгих экспериментов с разными типами карданных шарниров для полуосей были выбраны шарниры равных угловых скоростей Рцеппа. При каждом внутреннем шарнире применено скользящее шлицевое соединение с комплектом шариков между поверхностями зубьев и впа-
Рис. 3.20. Передний ведущий мост автомобиля «Олдсмобил торнадо» (разрез главной передачи; левой полуоси и цапфы переднего колеса): 1 — ось двигателя; 2 — ось автомобиля
дин. Рабочие поверхности полуосей предохраняются специальными кожухами. Магнитные деформированные кольца, установленные в канавках, обеспечивают высокую антикоррозийную стойкость.
НЕСИММЕТРИЧНЫЕ ДИФФЕРЕНЦИАЛЫ
Для автомобилей с колесной формулой 4 х4 или 6 хб часто требуется неравномерное распределение крутящего момента между ведущими мостами. Например, в автомобиле с колесной формулой '4 х4, задние сдвоенные колеса способны воспринять вес больший, чем одиночные передние колеса, по крайней мере в 2 раза. Если для распределения крутящего момента между передним и задним мостами будет применен обычный симметричный дифференциал, то для создания тяговой силы будет использоваться только половина веса, приходящегося на задний мост, так как к задним колесам невозможно подвести крутящий момент больший, чем к передним.
В грузовых автомобилях с двумя или более ведущими мостами крутящий момент должен быть распределен между этими мостами пропорционально нагрузкам, действующим на них. К сожалению, ни один из существующих несимметричных дифференциалов не соответствует этому требованию. Простые несимметричные дифференциалы распределяют крутящий момент (при малом внутреннем трении) пропорционально радиусу действия окружного усилия (см. рис. 3.2, б и в) коронной и солнечной шестерен (см. рис. 3.2, д) либо тангенсам углов конусов сателлитов к образующим которых прилагаются окружные усилия (см. рис. 3.2, г).
Несимметричные дифференциалы (см. рис. 3.2, б и в) могут быть применены только для малых перераспределений крутящего момента, так как передаваемый крутящий момент пропорционален радиусу действия окружного усилия на выходной шестерне. Наибольшее отношение крутящих моментов можно получить в конструкции, разработанной согласно рис. 3.2, г. Однако в этом случае диаметр корпуса дифференциала получается большим. В настоящее время среди несимметричных дифференциалов наибольшее применение имеют конструкции, выполняемые по схеме рис. 3.2, д.