Виды и особенности дифференциалов

Дифференциал служит для распределения подводимого к нему крутящего момента между выходными валами и обеспечивает возможность их вращения с неодинаковыми угловыми скоростями.

При движении автомобиля на повороте внутреннее колесо каждой оси проходит меньшее расстояние, чем ее наружное колесо, а колеса одной оси проходят различные пути по сравнению с колесами других осей. Различные пути проходят колеса автомобиля при движении по неровностям на прямолинейных участках и на повороте, а также при прямолинейном движении по ровной дороге в случае неодинаковых радиусов качения колес, например при неодинаковом давлении воздуха в шинах, неодинаковом износе шин, при неравномерном распределении нагрузки на оси автомобиля.

Если бы все колеса вращались с одинаковой скоростью, это неизбежно приводило бы к проскальзыванию и пробуксовыванию колес относительно опорной поверхности, следствием чего явились бы повышенный износ шин, увеличение нагрузок в механизмах трансмиссии, затраты мощности двигателя на работу скольжения и буксования, повышение расхода топлива, трудность поворота машины. Таким образом, колеса автомобиля должны иметь возможность вращаться с неодинаковыми угловыми скоростями относительно друг друга. Уневедущих колес это обеспечивается тем, что они установлены свободно на своих осях и каждое из них вращается независимо друг от друга. У ведущих колес это обеспечивается установкой в их приводе дифференциалов.

По месту расположения дифференциалы делят на межколесные (распределяющие крутящий момент между ведущими колесами одной оси) и межосевые (распределяющие крутящий момент между главными передачами двух ведущих мостов).

По соотношению крутящих моментов на ведомых валах дифференциалы подразделяют на симметричные (моменты на ведомых валах всегда равны между собой) и несимметричные (моменты на ведомых валах всегда находятся в определенном соотношении, не равном единице).

Различают также дифференциалы неблокируемые, блокируемые принудительно, самоблокирующиеся.

По конструкции дифференциалы бывают шестеренчатые конические, шестеренчатые цилиндрические, кулачковые, червячные.

В некоторых случаях вместо дифференциалов устанавливают механизмы типа муфт свободного хода.

Симметричные конические дифференциалы. Наиболее распространены симметричные конические дифференциалы (их часто называют простыми). Применяют их как на легковых, так и на грузовых автомобилях в качестве межколесных, а иногда и межосевых дифференциалов.

Механизм дифференциала включает в себя корпус, сателлиты и ось сателлитов или крестовину, полуосевые шестерни.

Число сателлитов в дифференциалах легковых автомобилей — два, грузовых — четыре. В редких конструкциях встречаются три сателлита.

Дифференциалы с двумя сателлитами 2 (рис. 3. 13, а) имеют неразъемный корпус 1, что придает ему бо́ льшую жесткость. Для сборки дифференциала корпус имеет окна.

Рис. 3. 13. Симметричные конические дифференциалы с двумя (а) и четырьмя (б) сателлитами: 1 — корпус; 2 — сателлиты; 3 — конические полуосевые шестерни; 4 — упорные шайбы

Дифференциалы с четырьмя сателлитами (рис. 3. 13, б) имеют разъемный корпус с разъемом по оси сателлитов.

Рассмотрим подробнее устройство и работу такого дифференциала. Вал привода ведущих колес разрезан на две части — полуоси, на внутренних концах которых установлены на шлицах одинаковые конические полуосевые шестерни 3, расположенные внутри корпуса 1 дифференциала. Эти шестерни постоянно соединены друг с другом посредством нескольких конических шестерен — сателлитов. Сателлиты могут вращаться на осях крестовины, закрепленной в корпусе 1 дифференциала, который получает вращение от ведомой шестерни главной передачи и установлен в картере главной передачи на роликовых конических подшипниках.

Корпус дифференциала обычно состоит из двух половин, скрепленных болтами. В плоскости разъема корпуса зажата крестовина. Все шестерни дифференциала имеют прямые зубья. Торцевые поверхности сателлитов, как правило, выполнены сферическими, что обеспечивает центрирование сателлитов и их правильное зацепление с полуосевыми шестернями.

Для уменьшения трения между корпусом дифференциала и торцевыми поверхностями всех его шестерен устанавливают упорные шайбы 4, толщина которых подбирается при сборке дифференциала на заводе. Смазка к трущимся поверхностям дифференциала поступает из картера главной передачи через окна в корпусе дифференциала. Крутящий момент передается от корпуса дифференциала на крестовину и сателлиты.

Сателлиты могут рассматриваться как равноплечие рычаги. Они передают крутящий момент на полуосевые шестерни и далее через полуоси на ведущие колеса.

Дифференциалы относятся к планетарным механизмам и имеют две степени свободы, что определяет их свойства по соотношению между угловыми скоростями и крутящими моментами отдельных звеньев.

У рассматриваемого дифференциала число зубьев обеих полуосевых шестерен одинаково. Поэтому сумма угловых скоростей левой ω ₁ и правой ω ₂ полуосевых шестерен равна удвоенной угловой скорости ω ₀ корпуса дифференциала:

ω ₁ + ω ₂ = 2ω ₀,

а крутящие моменты обеих полуосевых шестерен (как и моменты ведущих колес) равны при любых соотношениях их угловых скоростей.

При прямолинейном движении по ровной поверхности левое и правое ведущие колеса вращаются с одинаковой угловой скоростью. Усилия на зубьях полуосевых шестерен одинаковы, сателлиты неподвижны на своих осях, и весь дифференциал вращается как единое целое.

При повороте наружное колесо проходит больший путь, чем внутреннее, поэтому скорость его вращения (как и соответствующей полуосевой шестерни) увеличивается по сравнению с угловой скоростью внутреннего колеса. Сателлиты вращаются относительно своих осей и вместе с корпусом дифференциала, а сумма угловых скоростей полуосевых шестерен остается равной удвоенной угловой скорости корпуса дифференциала, т. е. насколько увеличивается угловая скорость одной полуосевой шестерни, настолько же уменьшается угловая скорость другой.

Если одно из колес остановлено, другое вращается в два раза быстрее корпуса дифференциала. Это наблюдается в случае буксования одного из ведущих колес при неподвижном автомобиле. Если при движении автомобиля резко остановить корпус дифференциала, например, стояночным трансмиссионным тормозом, ведущие колеса могут вращаться в разном направлении, что может вызвать занос автомобиля и потерю устойчивости. Поэтому запрещается использование стояночного трансмиссионного тормоза для остановки движущегося автомобиля.

Свойство симметричного конического дифференциала распределять крутящий момент поровну между ведущими колесами является благоприятным фактором при движении автомобиля по опорной поверхности с высоким коэффициентом сцепления и относительно малым сопротивлением движению, так как оно обеспечивает хорошую управляемость и устойчивость автомобиля. Однако если одно из ведущих колес находится на скользкой поверхности, например при трогании с места, крутящий момент на нем будет мал, так как он зависит от коэффициента сцепления, который в этом случае минимален. По свойству симметричного дифференциала такой момент будет и на другом колесе, хотя оно находится на поверхности с высоким коэффициентом сцепления. Если суммарного момента будет недостаточно для движения автомобиля, он не тронется с места — одно колесо будет буксовать, а другое будет неподвижным.

Для устранения этого недостатка иногда применяют принудительную блокировку дифференциала, жестко соединяя одну из полуосей с корпусом дифференциала. В этом случае момент на каждом ведущем колесе зависит от его сцепления с опорной поверхностью. Момент, подводимый к колесу с лучшим сцеплением, увеличивается, и этим создается увеличенная суммарная сила тяги на обоих ведущих колесах, обеспечивающая трогание автомобиля с места и его движение в различных условиях.

Самоблокирующиеся дифференциалы. Для повышения проходимости на некоторых автомобилях применяют самоблокирующиеся дифференциалы, которые обеспечивают передачу большего крутящего 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 сцепными качествами и вращающимся соответственно с большей угловой скоростью (забегающее колесо). Таким образом, суммарная сила тяги обоих колес увеличивается.

Отношение момента на отстающем колесе М_от к моменту на забегающем колесе М_заб называется коэффициентом блокировки:

к_б = М_от/М_заб.

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

Из большого числа различных по принципу действия самоблокирующихся дифференциалов наибольшее распространение получили дифференциалы повышенного трения — конические и кулачковые, а также механизмы типа муфт свободного хода.

Дифференциалы повышенного трения конструктивно могут быть выполнены различно: шестеренчатыми с фрикционными элементами, червячными, кулачковыми (сухарными), гидравлическими. По рабочему процессу их можно разбить на три группы: с постоянным моментом трения; с моментом трения, пропорциональным передаваемому моменту; с моментом трения, пропорциональным квадрату разности угловых скоростей выходных валов.

Коэффициент блокировки дифференциала повышенного трения зависит от потерь на трение и, следовательно, связан с его КПД.

Шестеренчатый дифференциал с постоянным моментом трения практически не применяется.

Шестеренчатый дифференциал с моментом трения, пропорциональным передаваемому моменту (рис. 3. 14), часто применяют на автомобилях высокого класса.

Рис. 3. 14. Конический дифференциал с дисками трения: 1, 4 — фрикционные муфты; 2, 3 — половины крестовины; 5 — вырез

Трение в дифференциале создается двумя дисковыми фрикционными муфтами 1 и 4. Крестовина дифференциала составлена из двух половин 2 и 3, которые могут раздвигаться при передаче момента, скользя концами шипов по наклонным поверхностям вырезов 5 в корпусе дифференциала. Чем больше передаваемый момент, тем больше раздвигаются обе части крестовины и тем большее сжимающее усилие действует на фрикционные диски.

В гидравлических дифференциалах момент трения, как правило, зависит от квадрата разности угловых скоростей ведомых валов. Применяют межколесные или межосевые конструкции (рис. 3. 15), имеющие лопастный масляный насос, ротор 3 которого жестко связан с левой полуосевой шестерней, а статор 1 закреплен на корпусе дифференциала.

Рис. 3. 15. Гидравлический дифференциал: 1 — статор; 2, 4 — каналы; 3 — ротор; 5 — черпак

В том случае когда полуосевые шестерни вращаются с разными угловыми скоростями, масляный насос перекачивает масло через узкий канал 4, получая питание через канал 2, чем создается сопротивление поворачиванию полуосевой шестерни. Поступление масла в полость корпуса дифференциала обеспечивается черпаками 5. Блокировка осуществляется как при движении вперед, так и назад. Гидравлическим дифференциалам этого типа присущи некоторые недостатки, ограничивающие их применение: давление, создаваемое насосом, должно быть высоким, что трудно осуществимо; гидравлическое сопротивление зависит от температуры масла.

Дифференциалы с автоматической блокировкой при помощи гидромуфты. В последнее время распространение получили простые дифференциалы с автоматической блокировкой при помощи гидромуфты с вязкой жидкостью (рис. 3. 16).

Рис. 3. 16. Межосевой дифференциал с гидравлической блокирующей муфтой: а — общий вид; б — кинематическая схема; 1 — вал раздаточной коробки; 2, 3 — валы приводов переднего и заднего мостов

Этот дифференциал межосевой, размещен в раздаточной коробке. Гидромуфта включена между валами 2 и 3 приводов переднего и заднего мостов. Привод от двигателя осуществляется через коробку передач и вал 1 раздаточной коробки. С увеличением разницы угловых скоростей валов, а также времени буксования, момент трения гидромуфты увеличивается. Иногда дифференциалы этого типа называют «силиконовыми» по названию применяемой в них жидкости.

Крутящий момент от полуосевых шестерен дифференциала к ведущим колесам передается валами, называемыми полуосями. Помимо крутящего момента полуоси могут быть нагружены изгибающими моментами от сил, действующих на ведущее колесо. Взависимости от испытываемых полуосью нагрузок принято их условное деление на полуразгруженные, на три четверти разгруженные и полностью разгруженные.

Полуразгруженная полуось воспринимает все усилия и моменты, действующие от дороги. На три четверти разгруженная полуось имеет внешнюю опору между ступицей колеса и балкой моста, поэтому изгибающие моменты от вертикальных, продольных и боковых реакций воспринимают одновременно и полуось, и балка моста через подшипник. Полностью разгруженная полуось теоретически передает только крутящий момент от дифференциалам к ведущим колесам, однако для нее возможны деформации изгиба, обусловленные деформацией балки моста, несоосностью ступицы колеса с полуосевой шестерней, перекосом и смещением шлицевых концов полуосей относительно шестерни и фланца при наличии зазоров в шлицевом соединении.

Раздаточная коробка

Раздаточная коробка служит для распределения крутящего момента между ведущими мостами. Кроме того, в раздаточной коробке может осуществляться увеличение момента, подводимого к ведущим колесам автомобиля.

Общие сведения. Как правило, в раздаточной коробке предусмотрено устройство для включения и отключения переднего ведущего моста, а иногда от раздаточной коробки обеспечен привод дополнительных агрегатов (например, коробки отбора мощности).

Для увеличения крутящего момента, подводимого к ведущим колесам (что необходимо в тяжелых условиях движения), раздаточные коробки обычно выполняют двухступенчатыми, причем высшая передача имеет передаточное число, равное единице (или около единицы), а низшая (первая) передача — около двух. Наличие двух передач увеличивает число ступеней и диапазон изменения передаточного числа трансмиссии автомобиля, что повышает возможность подбора выгоднейшей передачи в соответствии с условиями движения.

Часто применяют раздаточные коробки с блокированным приводом, когда приводы всех мостов постоянно жестко связаны друг с другом и всегда вращаются с одинаковыми угловыми скоростями. В таких раздаточных коробках обычно имеется устройство для отключения привода переднего моста, например, при движении в хороших условиях (по твердому покрытию с высоким коэффициентом сцепления), что позволяет снизить расход топлива, уменьшить нагрузки трансмиссии и износ шин.

В некоторых конструкциях раздаточных коробок установлен специальный механизм — межосевой дифференциал, который распределяет крутящий момент, подводимый от двигателя к раздаточной коробке, на ведущие мосты в необходимом соотношении пропорционально сцепному весу, приходящемуся на эти мосты. Дифференциал также позволяет колесам разных ведущих мостов вращаться с неодинаковыми угловыми скоростями, что устраняет возможность их проскальзывания, уменьшает нагрузки в трансмиссии и износ шин. Применяют дифференциалы с коническими и цилиндрическими шестернями. Для повышения проходимости автомобиля межосевые дифференциалы выполняют с принудительной блокировкой, или самоблокирующиеся.

По условию получения максимально возможной тяговой силы распределение момента между мостами полноприводного автомобиля должно осуществляться пропорционально распределению вертикальных нагрузок. Для обеспечения дифференциального привода в раздаточной коробке может быть использован симметричный или несимметричный дифференциал. Симметричный дифференциал в раздаточной коробке применяют в том случае, если в полноприводном двухосном автомобиле сцепной вес делится между мостами примерно поровну.

Эволюция полноприводных трансмиссий. До недавнего времени полноприводные трансмиссии применялись лишь на специальных автомобилях (военных, сельскохозяйственных и т. д. ), но с конца 1970-х гг. полный привод на серийных легковых автомобилях стали использовать ведущие мировые фирмы.

Развитие полноприводных трансмиссий идет по четырем основным направлениям:

принудительная блокировка дифференциалов; 1)

улучшение свойств дифференциалов за счет применения автоматических блокирующих устройств; 2)

применение дифференциалов повышенного трения («Торсен» и др. ); 3)

применение так называемого 4) перманентного полного привода, т. е. когда подвод мощности к одному из мостов осуществляется постоянно, а ко второму — при необходимости.

Все эти направления в конечном итоге имеют задачу подвода к каждому колесу вращающего момента определенной величины соответственно условиям движения автомобиля, и управляющим воздействием при этом служит момент трения в блокирующем устройстве. Поэтому основная проблема заключается в зависимости этого момента трения от параметров движения автомобиля.

Установлено, что для дальнейшего улучшения устойчивости движения автомобиля необходимо обеспечить переменный коэффициент блокировки. Поэтому многие фирмы занимаются разработкой трансмиссий с устройствами и дифференциалами, позволяющими получать переменный коэффициент блокировки, зависящий от параметров движения автомобиля.

В настоящее время для этих целей чаще всего используют два устройства: фрикционные муфты с электронным управлением и вязкостные муфты. При компьютерном управлении учитывается целый ряд параметров движения автомобиля, но эти устройства из-за их сложности и дороговизны применяют лишь на дорогих автомобилях.

Момент трения в вязкостных муфтах обусловлен жидкостным трением и зависит от кинематического рассогласования на соответствующих элементах. Применение вязкостных муфт позволило создать так называемый перманентный привод, который позволяет обойтись без межосевого дифференциала, а в случае применения двойных вязкостных муфт — без межколесного дифференциала. Такие трансмиссии удобно создавать на базе одноприводных, что дает возможность варьировать тип привода автомобиля.

Основные типы трансмиссий. Обзор конструкций позволяет выделить десять основных типов трансмиссий (рис. 3. 17).

Рис. 3. 17. Трансмиссии полноприводных легковых автомобилей: I—X — типы трансмиссий

Трансмиссии с использованием дифференциала «Торсен» (Torsen) в межосевом приводе применяют на полноприводных модификациях «Ауди-80» и др. (рис. 3. 17, I). Дифференциал «Торсен» дает возможность автоматической частичной или полной блокировки межосевого привода и стабильных характеристик поворачиваемости как на сухих, так и на скользких дорогах. Основным недостатком данного дифференциала является технологическая сложность изготовления, повышенные требования к смазочным материалам, сложность получения несимметричного начального распределения вращающего момента.

Применение дифференциала «Квайф» (Quif) в межосевом и в межколесном приводах благоприятно влияет на проходимость и динамичность автомобиля, однако линейная характеристика дифференциала ухудшает устойчивость движения и чувствительность к управлению при больших крутящих моментах, подводимых к дифференциалам (рис. 3. 17, II).

Использование вязкостных муфт (ВМ) для блокировки межосевого дифференциала на автомобиле «БМВ» 325jx позволяет улучшить его динамические свойства и проходимость при несимметричном межосевом дифференциале, а также повысить устойчивость движения (рис. 3. 17, III).

Дальнейшим улучшением предыдущей схемы трансмиссии стало применение ВМ для блокировки дифференциала заднего моста (рис. 3. 17, IV).

В трансмиссии дорогих автомобилей применяют фрикционные муфты, управляемые с помощью бортового компьютера. На автомобиле «Порше 959» вместо межосевого дифференциала используется фрикционная муфта с вариативным распределением вращающего момента по мостам, а также фрикционная муфта с электронным управлением, позволяющая частично или полностью блокировать дифференциал заднего моста (рис. 3. 17, V).

На автомобилях «Мерседес» применена трансмиссия 4MATIC, в которой задействованы три фрикционные муфты с электронным управлением: одна для отсоединения переднего моста при торможении и две для блокировки межосевого и заднего межколесного дифференциалов (рис. 3. 17, VI). Основным препятствием для использования последних двух схем трансмиссий является их высокая стоимость.

Попытка управлять распределением вращающего момента на всех колесах была сделана на автомобиле «Ниссан Пульсар». В нем используются три ВМ для блокировки всех трех дифференциалов автомобиля (рис. 3. 17, VII).

Использование ВМ привело к возникновению перманентного привода, т. е. псевдопостоянного: один из ведущих мостов включается в работу только при необходимости — при наличии кинематического рассогласования между мостами («Фольксваген Гольф 4× 4 синкро» и «Фольксваген Транспортер 4× 4 синкро») (рис. 3. 17, VIII, IХ).

Развитием перманентного привода стала трансмиссия автомобиля «Хонда Сивик», в которой двухзвенная вязкостная муфта установлена вместо дифференциала заднего моста, что позволяет подводить вращающий момент индивидуально к каждому колесу (рис. 3. 17, Х).

Впервые в трансмиссии ВМ стала применяться в 1979 г. на автомобиле «Игл» фирмы «Америкен Моторс» для регулирования степени блокировки межосевого дифференциала. С 1984 г. ВМ стали успешно применять и для блокировки дифференциалов, и для передачи крутящего момента во всех вариантах трансмиссий, в том числе и одноприводных для блокировки межколесных дифференциалов.

Вязкостная муфта. Это устройство имеет герметичный цилиндрический корпус, внутри которого расположены два независимых пакета дисков (рис. 3. 18).

Рис. 3. 18. Схема вязкостной муфты: 1 — корпус; 2 — вал; 3, 4 — соответственно внутренний и внешний диск

Один пакет дисков при помощи шлицов соединен с ведущим валом муфты, а второй (также шлицами) — с корпусом. Диски пакетов чередуются друг с другом.

Вязкостные муфты можно классифицировать по нескольким характерным признакам.

По зазору между дисками ВМ можно разделить на три принципиальных типа: с «плавающими» дисками, с гарантированным зазором между дисками и с регулируемым зазором между дисками. ВBM с «плавающими» дисками последние не закреплены в осевом направлении, и их движение ограничивается только размерами корпуса. В ВМ с гарантированным зазором оба пакета дисков зафиксированы в осевом направлении с помощью распорных колец.

Примером ВМ с регулируемым зазором между дисками может служить конструкция ВМ, используемая в трансмиссии «Вискоматик». В этой муфте между дисками установлены тарельчатые пружины, а специальное устройство, перемещая торцевую стенку, приводит к изменению зазора между дисками.

По количеству связываемых звеньев ВМ можно разделить на двухзвенные и многозвенные.

По назначению ВМ можно разделить на три группы: управляющие, т. е. создающие повышенное трение в обычных дифференциалах; передающие однопоточные, т. е. подключающие один из ведущих мостов; передающие многопоточные, т. е. подключающие независимо колеса одного из мостов.

Внутреннее пространство муфты заполняется силиконовой жидкостью. Вращающий момент передается жидкостным трением и граничным трением между дисками разноименных пакетов, т. е. вязкостная муфта похожа на обычное многодисковое сцепление, работающее в масле.

Силиконы — это структурно-вязкие неньютоновские жидкости, т. е. их вязкость зависит от скорости деформации, но их вязкостно-температурная характеристика значительно стабильнее, чем у минеральных масел. Силиконы практически не обладают смазочным действием, так как у них невысокая прочность масляной пленки.

Коэффициент объемного расширения силиконов приближенно равен 9, 5 · 10^{− 4} К^{− 1} в диапазоне температур 25—175 °С. Поэтому при нагреве ВМ во время работы силиконовая жидкость значительно расширяется. Например, при изменении температуры на 100 °С ее объем увеличивается приблизительно на 10 %. Наличие воздуха в рабочей жидкости позволяет корректировать рост давления внутри корпуса ВМ.

Автомобили «Ауди» и диффренциал «Торсен». Автомобили «Ауди» имеют привод на все колеса. Для привода задних колес имеются следующие дополнительные узлы: задний дифференциал и два приводных вала. Кроме того, задняя ось заменена двойным поперечным рычагом задней подвески. Связь между приводом задних и передних колес осуществляется карданным валом.

Для компенсации различных частот вращения передних колес в рассматриваемых здесь типах привода на все колеса применен дополнительный дифференциал между передними и задними колесами. В данном случае в качестве такого дифференциала применен так называемый дифференциал «Торсен» (Torsen = torque-sensing — чувствительный к вращающему моменту). Этот дифференциал следит за выравниванием передних и задних колес. Дополнительно этот дифференциал выравнивает и вращающие моменты. Если одна из приводных осей начинает прокручиваться, автоматически большее усилие передается другой оси. Тем самым обеспечивается лучшая связь колес с дорогой. Ось, имеющая худшую связь с дорогой, получает меньший вращающий момент. В результате повышается надежность против бокового заноса.

Независимо от распределения вращающих моментов колесам дифференциал «Торсен» допускает различные частоты вращения на обоих концах валов. Таким образом, полноприводные автомобили, оборудованные дифференциалом «Торсен», допускают установку на них автоблокировочной системы.

Распределения вращающих моментов в дифференциале «Торсен» осуществляется через шестерни и червячные колеса. Этот дифференциал работает полностью автоматически и представляет собой чисто механическую систему без элементов гидравлики и электронного управления. Его регулировочные характеристики определяются конструкцией червячного привода. В данном случае используют известный эффект червячной передачи, при которой передача вращения в одном направлении осуществляется свободно, а в другом — с определенными трудностями, или такая передача вообще невозможна (необратимая передача). Процесс внутренней регулировки в передаче протекает настолько быстро, что он не ощущается вообще и не приводит к каким-либо повреждениям системы.

Дифференциал «Торсен» установлен непосредственно на передней коробке передач и снабжается тем же маслом, что и сама коробка передач. В дифференциал задней оси заливают 0, 75 л масла для коробок передач GL5SAE90. Смену масла не производят. Уровень масла проверяют сбоку по контрольному отверстию аналогично контролю уровня масла коробки передач.

Оборудование автомобиля ВАЗ. На полноприводном автомобиле ВАЗ установлена двухступенчатая раздаточная коробка с принудительно блокируемым межосевым дифференциалом и ручным управлением. Две передачи (низшая и высшая) с передаточными числами 2, 135 и 1, 2 позволяют увеличить передаточные числа трансмиссии и удвоить общее число передач, что дает возможность эффективнее использовать автомобиль в различных дорожных условиях.

Межосевой дифференциал обеспечивает постоянный привод переднего и заднего ведущих мостов, что повышает устойчивость автомобиля. Принудительная блокировка дифференциала повышает проходимость автомобиля.

Высшую передачу в раздаточной коробке включают при движении по дорогам с твердым покрытием и хорошим сцеплением, а низшую — для преодоления крутых подъемов, при движении по мягким грунтам и для получения минимальной устойчивой скорости движения на дорогах с твердым покрытием. Блокировку дифференциала производят при преодолении труднопроходимых участков дорог. Переключение передач и блокировку дифференциала выполняют с помощью рычагов, установленных на раздаточной коробке.

Карданные передачи

Карданные передачи применяют в трансмиссиях автомобилей для передачи мощности между агрегатами, валы которых не лежат на одной прямой, причем взаимное положение их может меняться в процессе движения.

Карданные передачи могут иметь один или несколько карданных шарниров, соединенных карданными валами, и промежуточные опоры. Карданные передачи применяют и для привода других механизмов например для связи рулевого колеса с рулевым механизмом. Агрегаты, закрепленные на раме (в частности, коробка передач и раздаточная коробка), могут перемещаться друг относительно друга в результате деформации своих опор и самой рамы, а ведущие мосты присоединены к раме через подвеску, поэтому могут перемещаться относительно рамы и закрепленных на ней агрегатов при деформации упругих элементов подвески. При этом могут изменяться не только углы наклона карданных валов, соединяющих агрегаты, но и расстояние между агрегатами.

В общем случае карданная передача состоит из карданных шарниров 2 и 5, карданных валов 1, 4, 6 и компенсирующего соединения 3 (рис. 3. 19, а).

Рис. 3. 19. Жесткий карданный шарнир неравных угловых скоростей: а — кинематическая схема; б — общий вид; в — детали шарнира; 1, 4, 6 — карданные валы; 2, 5 — карданные шарниры; 3 — компенсирующее соединение; 7, 9 — вилки; 8 — крестовина; 10 — корпус подшипников; 11 — масленка; 12 — шлицевой наконечник; 13 — игольчатые подшипники; А, Б, В, Г — концы соединительных элементов; γ, γ ₁, γ ₂ — углы в шарнирах

Иногда карданный вал устанавливают на промежуточной опоре, прикрепленной к поперечине рамы автомобиля.

Карданные шарниры обеспечивают передачу крутящего момента между валами, оси которых пересекаются под углом. Различают карданные шарниры неравных и равных угловых скоростей. Карданные шарниры неравных угловых скоростей делят на упругие и жесткие. Карданные шарниры равных угловых скоростей по конструкции бывают шариковые с делительными канавками, шариковые с делительным рычажком, кулачковые. Их размещают обычно в приводе ведущих управляемых колес, где угол между валами может достигать 45°, причем центр карданного шарнира должен совпадать с точкой пересечения ocи вращения колеса и осью его поворота. Упругие карданные шарниры передают крутящий момент между валами с пересекающимися под углом 2—3° осями в результате упругой деформации соединительных элементов.

Жесткий карданный шарнир неравных угловых скоростей. Такой шарнир передает крутящий момент от одного вала к другому вследствие подвижного соединения жестких деталей (рис. 3. 19, б). Он состоит из двух вилок 7 и 9, в цилиндрические отверстия которых установлены на подшипниках концы А, Б, В, Г соединительного элемента— крестовины 8. Вилки жестко соединены с валами 1 и 4. Вилка 9 может поворачиваться относительно оси БГ крестовины и в то же время вместе с крестовиной поворачиваться относительно оси АВ, благодаря чему и обеспечивается возможность передачи вращения от одного вала к другому при меняющемся угле между ними. Таким образом, при равномерном вращении вала 1 угловая скорость вала 2 неравномерна и изменяется по синусоидальному закону. Неравномерность вращения вала 4 будет тем больше, чем больше угол γ между осями валов. Если неравномерность вращения вала 4 будет передаваться на валы агрегатов, в трансмиссии возникнут дополнительные пульсирующие нагрузки, тем большие, чем больше угол γ. Чтобы неравномерность вращения вала 4 не передавалась на валы агрегатов, в карданной передаче применяют два карданных шарнира. Их устанавливают так, чтобы углы γ ₁ и γ ₂ (см. рис. 3. 19, а) были равны; вилки карданных шарниров, закрепленные на неравномерно вращающемся валу 4, должны быть расположены в одной плоскости. Равномерность вращения ведомого вала может быть достигнута также применением карданного шарнира равных угловых скоростей.

Карданный шарнир равных угловых скоростей. Поясним принцип действия карданного шарнира равных угловых скоростей (рис. 3. 20, а). С ведущим валом 1 соединен рычаг 2, а с ведомым валом 4 — рычаг 3. Рычаги 2 и 3 при вращении валов постоянно контактируют в точке А. При вращении валов точка А должна находиться в биссекторной плоскости. Конструктивно это условие можно обеспечить различными способами. Наибольшее распространение получили карданные шарниры равных угловых скоростей шарикового типа. Находят применение также и другие шарниры равных угловых скоростей (рис. 3. 20, б—е).

Рис. 3. 20. Карданные шарниры равных угловых скоростей: а — кинематическая схема шарнира равных угловых скоростей; б — шарнир шарикового типа с делительными канавками; в — шарнир с делительным рычажком (типа «Рцепп»); г — универсальный карданный шарнир (типа «Лебро»); д — трехшиповый жесткий карданный шарнир (типа «Трипод»); е — универсальный трехшиповый шарнир; 1 — ведущий вал; 2, 3 — рычаги; 4 — ведомый вал; 5 — боковые шарики; 6 — центральный шарик; 7, 8, 21 — вилки; 9 — стопорная шпилька; 10 — штифт; 11 — делительный рычажок; 12 — сферическая чашка; 13 — сферический кулак; 14 — сепаратор; 15 — направляющая чашка; 16 — пружина; 17 — цилиндрический корпус; 18 — сферический корпус; 19 — шипы; 20 — ролики; 22 — ступица; А — точка контакта; γ — угол между осями шарнира; ω ₂ — угловая скорость ведомого вала

Трансмиссия полноприводной колесной машины включает в себя несколько карданных передач с карданными шарнирами неравных угловых скоростей, а также карданные передачи с карданными шарнирами равных угловых скоростей, которые устанавливают в приводе управляемых ведущих колес.

Основные части карданных передач. Рассмотрим устройство основных частей карданных передач.

Карданный шарнир неравных угловых скоростей состоит из двух вилок 7 и 9, соединенных крестовиной 8. Одна из вилок иногда имеет фланец, а другая приварена к трубе карданного вала или имеет шлицевой наконечник 12 (или втулку) для соединения с карданным валом (pис. 3. 19, в). Шипы крестовины устанавливают в проушины обеих вилок на игольчатых подшипниках 13. Каждый подшипник размещается в корпусе 10 и удерживается в проушине вилки крышкой, которая присоединена к вилке двумя болтами, стопорящимися усиками шайбы. В отдельных случаях подшипники закрепляют в вилках стопорными кольцами. Для удержания смазки в подшипнике и защиты его от попадания воды и грязи имеется резиновый самоподжимной сальник.

Внутренняя полость крестовины через масленку заполняется смазкой, поступающей к подшипникам. В крестовине обычно имеется предохранительный клапан, защищающий сальник от повреждения под действием давления нагнетаемой в крестовину смазки. Шлицевое соединение смазывается через масленку 11. Максимальный угол между осями валов, соединенных карданными шарнирами неравных угловых скоростей, обычно не превышает 20°, так как при больших углах значительно уменьшается КПД карданных передач. Если угол между осями валов изменяется в пределах 0—2°, то шипы крестовины деформируются иглами подшипников, и карданный шарнир быстро разрушается.

Существуют карданные передачи с карданными шарнирами типа зубчатых муфт, допускающими передачу крутящего момента между валами, оси которых пересекаются под углом до 1, 5—2°.

Карданные валы выполняют, как правило, трубчатыми, для чего используют специальные стальные цельнотянутые или сварные трубы. К трубам приваривают вилки карданных шарниров, шлицевые втулки или наконечники. Для уменьшения поперечных нагрузок, действующих на карданный вал, осуществляют его динамическую балансировку в сборе с карданными шарнирами. Дисбаланс устраняют приваркой к карданному валу балансировочных пластин, а иногда установкой балансировочных пластин под крышки подшипников карданных шарниров. Взаимное положение деталей шлицевого соединения после сборки и балансировки карданной передачи на заводе обычно отмечают специальными метками.

Компенсирующее соединение карданной передачи выполняют обычно в виде шлицевого соединения, допускающего осевое перемещение деталей карданной передачи и состоящего из шлицевого наконечника, который входит в шлицевую втулку карданной передачи. Смазка в шлицевое соединение подводится через масленку или при сборке закладывают смазку, которую заменяют после длительного пробега автомобиля. Для защиты шлицевого соединения от вытекания смазки и загрязнения обычно устанавливают сальник и чехол. При большой длине карданных валов в карданных передачах обычно применяют промежуточные опоры. Промежуточная опора, как правило, представляет собой прикрепленный болтами к поперечине рамы кронштейн, в котором установлен в резиновом упругом кольце шариковый подшипник, закрытый с обеих сторон крышками с сальниками и устройством для его смазывания. Наличие упругого резинового кольца позволяет компенсировать неточности сборки и перекосы подшипника, возможные при деформациях рамы автомобиля.

Карданный шарнир равных угловых скоростей шарикового типа с делительными канавками. Такой шарнир состоит из двух вилок, пяти шариков, штифта и стопорной шпильки (см. рис. 3. 20, б). Ведущая вилка изготовлена как единое целое с полуосью, а ведомая вилка — с приводным валом колеса. В каждой вилке 7, 8 выполнено по четыре канавки, в них установлены четыре ведущих (боковых) шарика 5, через которые и передается вращение от одной вилки к другой. При любом угле между валами боковые шарики в канавках вилок устанавливаются в плоскости, делящей этот угол пополам, благодаря чему вращение от ведущего вала на ведомый передается равномерно. Центральный (пятый) шарик 6 помещается между торцами вилок и обеспечивает их центрирование. Для возможности установки ведущих шариков в канавки вилок центральный шарик имеет лыску с отверстием, которым он при сборке карданного шарнира устанавливается против вставляемого бокового шарика. После сборки карданного шарнира центральный шарик фиксируется в определенном положении штифтом 10, закрепляемым стопорной шпилькой 9 в отверстии ведомой вилки.

Карданные шарниры такой конструкции могут работать при углах между валами до 30—35°. Их недостатком является необходимость точной фиксации валов в осевом направлении, а также высокие давления на контактных поверхностях, что снижает их долговечность и ограничивает применение.

В некоторых случаях осевое перемещение, компенсирующее изменение длины карданного вала, предпочтительней обеспечивать не шлицевым соединением, а непосредственно конструкцией карданного шарнира — такой шарнир называется универсальным. В отверстие конца вала запрессован пустотелый палец, на который посажены на игольчатых подшипниках два сферических ролика. В отверстия пальца вставлены центрирующие заглушки со сферической поверхностью. В корпусе шарнира выполнено два паза цилиндрического сечения такого же радиуса, как и радиус ролика. При вращении под углом пустотелый палец имеет возможность, кроме вращения вокруг своей оси, наклоняться и скользить на сферических роликах по пазам. В таком шарнире осевое перемещение сопровождается значительно меньшими потерями на трение, чем в шлицевом соединении.

Упругий полукарданный шарнир допускает передачу крутящего момента от одного вала к другому, расположенному под некоторым углом, благодаря деформации упругого звена, связывающего оба вала.

Упругое звено может быть резиновым, резинотканевым или резиновым, усиленным стальным тросом. В последнем случае полукарданный шарнир может передавать значительный крутящий момент и под несколько бо́ льшим углом, чем в первых двух случаях. Достоинства полукарданного шарнира: снижение динамических нагрузок в трансмиссии при резких изменениях частоты вращения (например, при резком включении сцепления); отсутствие необходимости обслуживания в процессе эксплуатации. Благодаря эластичности такой шарнир допускает небольшое осевое перемещение кардана. Упругий полукарданный шарнир должен центрироваться, иначе балансировка карданного вала может нарушиться.

Конструктивные особенности карданных шарниров равных угловых скоростей. Рассмотрим более подробно конструктивные особенности карданных шарниров равных угловых скоростей.

Шестишариковый карданный шарнир с делительным рычажком состоит из сферического кулака 13, закрепленного на шлицах вала 4, и сферической чашки 12, связанной с другим валом 1 (типа «Рцепп», см. рис. 3. 20, в). На кулаке и на внутренней стороне чашки выфрезеровано по шесть меридиональных канавок полукруглого сечения. Канавки выполнены из одного центра. В канавках размещено шесть шариков, которые связаны сепаратором 14. При наклоне валов шарики устанавливаются в биссекторной плоскости при помощи делительного рычажка 11, который поворачивает направляющую чашку 15, а вместе с ней и сепаратор. Пружина 16 служит для поджатия делительного рычажка к гнезду в торце вала 4 при изменении положения рычажка в результате наклона валов. Точность установки шариков в биссекторной плоскости зависит от подбора плеч делительного рычажка.

Карданный шарнир с делительным рычажком допускает максимальный угол γ = 37°. Так как усилие в этом шарнире передается шестью шариками, он обеспечивает передачу большого крутящего момента при малых размерах. Распорные нагрузки отсутствуют в шарнире, если центр последнего совпадает с осью шкворня. Шарнир обладает большой надежностью, высоким КПД, однако технологически сложен: все детали его приводится подвергать токарной и фрезерной обработке с соблюдением строгих допусков, обеспечивающих передачу усилий всеми шариками. По этой причине стоимость шарнира высокая.

Конструкции шестишариковых карданных шарниров равных угловых скоростей разнообразны. В частности, шестишариковый карданный шарнир с делительными канавками (типа «Бирфильд») задействован в карданной передаче передних управляемых и ведущих колес некоторых отечественных автомобилей (ВАЗ) на наружном конце карданного вала. При этом на внутреннем конце карданного вала должен размещаться карданный шарнир, позволяющий компенсировать изменение длины карданного вала при деформации рессор.

Универсальный шестишариковый карданный шарнир (типа ГКН) установлен на внутреннем конце карданного вала переднеприводных автомобилей ВАЗ. Осевое перемещение происходит по продольным канавкам корпуса, причем перемещение карданного вала равно рабочей длине канавок корпуса, что влияет на размеры шарнира.

При осевых перемещениях шарики не перекатываются, а скользят, что снижает КПД шарнира. При передаче больших крутящих моментов используют восьмишариковый шарнир этого типа.

Универсальный шестишариковый карданный шарнир с делительными канавками состоит из цилиндрического корпуса 17, на внутренней поверхности которого под углом (примерно 15—16°) к образующей цилиндра нарезаны шесть прямых канавок, расположенных в порядке, показанном на рисунке; сферического кулака 13 (на его поверхности нарезано также шесть прямых канавок); сепаратора 14 с шариками 5, центрируемыми наружной сферической поверхностью по внутренней цилиндрической поверхности корпуса 17 (типа «Лебро», см. рис. 3. 20, г). Внутренней сферической поверхностью шарики устанавливаются с некоторым зазором на кулаке 13. Шарики попадают в пересечения канавок, чем обеспечивается синхронность вращения валов, так как шарики, независимо от угла между валами, всегда находятся в биссекторной плоскости.

Этот шарнир имеет меньшие размеры, чем шарниры других типов, так как рабочая длина канавок и ход шариков в 2 раза меньше хода вала. Имеются и другие достоинства: сепаратор не выполняет функции деления угла между валами, он менее нагружен, а поэтому требования к точности его изготовления ниже; наличие фланцевого разъема шарнира обеспечивает удобство монтажа, хотя конструкция его при этом усложняется, что несколько компенсирует упрощение протяжки канавок корпуса. К точности расположения канавок предъявляют высокие требования. Шарнир имеет высокий КПД (примерно 0, 99 при γ = 10°) и применяется на переднеприводных автомобилях.

Трехшиповой карданный шарнир (типа «Трипод») находит применение на легковых и грузовых автомобилях малой грузоподъемности. Конструктивно такие шарниры имеют два исполнения: шарниры, позволяющие передавать момент при углах между валами до 43°, но не допускающие осевых перемещений (жесткие шарниры), и универсальные шарниры, допускающие осевую компенсацию, но работающие при сравнительно небольших углах между валами.

В жестком шарнире (см. рис. 3. 20, д) шипы 19, расположенные под углом 120°, закреплены в корпусе 18. Ролики 20 с шаровой поверхностью установлены на шипах и могут свободно на них поворачиваться. Вилка 21, выполненная вместе с валом 4, имеет три паза цилиндрического сечения. Поверхность вилки сферическая, что обеспечивает получение большого угла между валами. Так как принцип работы жесткого и универсального шарниров одинаков, ограничимся более подробным рассмотрением лишь универсального шарнира.

Универсальный трехшиповой шарнир состоит из цилиндрического корпуса 18, выполненного как единое целое с валом, в котором имеются три продольных паза, ступицы 22 с тремя шипами, закрепленной на внутреннем конце карданного вала, трех роликов 20 на игольчатых подшипниках (см. рис. 3. 20, е). Шипы, как и пазы, расположены под углом 120° один относительно другого. Ролики имеют сферическую поверхность такого же радиуса, как и цилиндрическое сечение продольных пазов. При вращении валов под углом ролики перекатываются в пазах, поворачиваясь на игольчатых подшипниках, и в то же время шипы могут перемещаться вдоль роликов подшипников, что обеспечивается кинематикой шарнира. Универсальный шарнир этого типа может использоваться, если максимальное значение угла γ не превышает 25°. Достоинством шарнира являются малые потери при осевом перемещении, так как оно обеспечивается практически только качением, что определяет высокий КПД шарнира.

Электроника в управлении трансмиссией

В настоящее время автотранспортная техника создается с применением электронных систем, заменяющих традиционные узлы электрооборудования. Помимо контроля и управления работой силовой установки (двигателя), подвески, устройств комфорта и безопасности, электронные устройства широко используются также для управления агрегатами трансмиссии, тормозными системами и рулевыми механизмами. Командная электромагнитная или электромеханическая аппаратура в электронных системах управляет исполнительными механизмами с гидро- или пневмоприводом. Широко внедряются различные микропроцессорные системы (ЭВМ), например, для автоматического управления переключением передач.

При управлении автомобилем водитель получает информацию из окружающей среды. Ощущения субъективны, но на их основании водитель выбирает ту или иную передачу для движения. Субъективная оценка нагрузки на автомобиль не позволяет водителю с достаточной точностью оценить соответствие ей режима работы двигателя.

Выбор передачи в коробке передач, обеспечивающей минимальный расход топлива в заданных условиях движения, определение оптимальных ускорения при разгоне или скорости движения при действующей нагрузке могут осуществлять исполнительные механизмы, управляемые бортовым микропроцессором. Для формирования командных сигналов управления исполнительными механизмами микропроцессор должен получать информацию о режимах работы двигателя и автомобиля, о текущих положениях органов управления в агрегатах трансмиссии автомобиля и двигателя. При управлении трансмиссией микропроцессор должен формировать командные сигналы для согласования функционирования исполнительных механизмов топливоподачи, привода сцепления и переключения передач (рис. 3. 21). Последнее в механической автоматизированной коробке передач невозможно без предварительного изменения топливоподачи и выключения сцепления.

Ви­ды и осо­бен­но­сти диф­фе­рен­ци­а­лов

Виды и особенности дифференциалов