3. Дифференциал

 

Дифференциал - механизм трансмиссии, выполняющий функцию распределения подводимого к нему крутящего момента между колесами или мостами и позволяющий ведомым валам вращаться, как с одинаковыми, так и с разными угловыми скоростями, кинематически связанными между собой.

У трактора дифференциал устанавливают между центральной (главной) передачей и ведущей шестерней конечной передачи. У автомобиля дифференциал чаще всего устанавливают между центральной (главной) передачей и ведущими колесами, а если у автомобиля есть колесная передача, то между центральной (главной) передачей и ведущей шестерней колесной передачи. Такие дифференциалы называют межколесными. Дополнительно дифференциал могут устанавливать между ведущими мостами колесной машины и его называют межосевым.  

Дифференциал не влияет на общее передаточное число трансмиссии машины. Он обеспечивает качение ведущих колес машины без проскальзывания на поворотах и при движении по неровному пути.

При отсутствии дифференциала и жесткой кинематической связи ведущих колес их вращение сопровождалось бы взаимным скольжением или буксованием относительно дорожного полотна или почвы. Возникающая при этом паразитная мощность увеличивала бы износ деталей трансмиссии, протекторов шин и расход топлива на преодоление дополнительных сопротивлений движению машины. 

Дифференциалы классифицируют по следующим основным признакам:

по конструктивному исполнению - шестеренные, червячные и кулачковые;

по месту расположения в трансмиссии - межколесные и межосевые;

по соотношению крутящих моментов на ведомых валах - с постоянным соотношением моментов (простой симметричный и простой несимметричный), с непостоянным соотношением моментов (с принудительной блокировкой и самоблокирующиеся);

по форме корпуса дифференциала - закрытые и открытые.

 Червячные и кулачковые дифференциалы не получили распространения на отечественных тракторах и автомобилях. Шестеренные дифференциалы выполняются с цилиндрическими или коническими прямозубыми шестернями. На отечественных тракторах и автомобилях применяются в основном дифференциалы с коническими шестернями.  

Рассмотрим принципиальные кинематические схемы некоторых простых шестеренных дифференциалов с постоянным соотношением моментов на ведомых валах (рис. 6.5).

Дифференциал, распределяющий крутящий момент между выходными валами поровну, называют симметричным. Дифференциал, распределяющий крутящий момент между выходными валами не поровну, называют несимметричным. 

В межколесном приводе тракторов и автомобилей применяют только симметричные дифференциалы – конические (рис. 6.5,а) и цилиндрические (рис. 6.5,б). 

Несимметричные простые дифференциалы (рис. 6.5,в и г) применяют только в межосевом приводе, когда вертикальная нагрузка на ведущие мосты колесной машины различна. На отечественных тракторах межосевые дифференциалы не применяют.

Рис 6.5. Схемы простых дифференциалов с постоянным соотношением моментов на ведомых валах:

а – симметричного конического; б - симметричного цилиндрического; в – несимметричного цилиндрического;  г – несимметричного конического; 1, 8 – левая и правая полуоси дифференциала; 2, 6 – левая и правая полуосевые шестерни; 3 – сателлит; 4 – корпус дифференциала; 5 – ведомое колесо главной передачи; 7 – ось вращения сателлитов; 9 – солнечная шестерня; 10 – эпициклическая шестерня

При прямолинейном движении машины полуосевые шестерни вращаются вместе с корпусом дифференциала. Сателлиты 5 при этом неподвижны относительно оси 2. При движении машины по криволинейной траектории или по неровностям пути скорость вращения одной из полуосевых шестерен уменьшается, а другой пропорционально возрастает вследствие вращения сателлитов 5 относительно оси 2. В этой конструкции четыре сателлита, каждая пара которых устанавливается на свою ось вращения 2. Для смазывания оси 2 в месте посадки сателлитов имеют лыски или спиральные канавки, удерживающие масло.

 В ряде конструкций простых симметричных дифференциалов сателлиты устанавливают на шипы крестовины. При этом число шипов крестовины (три или четыре) равно числу сателлитов. 

Свойство дифференциала делить подводимый к его корпусу крутящий момент в определенной пропорции между ведомыми валами приводит в ряде случаев к потере проходимости машины, так как в этом случае крутящий момент на каждой полуоси дифференциала равен меньшему из предельных момент по сцеплению каждого из ведущих колес машины с опорной поверхностью.

Если заблокировать дифференциал, то каждое колесо сможет реализовать свои возможности по сцеплению с опорной поверхностью.

Для осуществления принудительной блокировки дифференциала необходимо соединить между собой два любые его центральные звена (корпус дифференциала, полуосевые шестерни). Возможные варианты блокировки простых симметричных дифференциалов показаны на рис. 6.6.

 

Рис. 6.6. Способы  блокировки  межколесного дифференциала:

1 – главная передача; 2 – корпус дифференциала; 3 – полуосевая шестерня; 4 – зубчатая муфта; 5 – ось вращения сателлитов; 6 – блокировочное фрикционное сцепление; 7 – шестерни конечной (колесной) передачи; 8 – дифференциал; 9 – шестерня привода блокировочного валика; 10 – блокировочный валик; 11 – блокировочная шестерня-каретка

На схеме, представленной на рис. 6.6,а, блокировка дифференциала осуществляется с помощью зубчатой муфты 4, соединяющей между собой корпус 2 дифференциала и полуосевую шестерню 3. Такой способ блокировки дифференциала получил широкое распространение на тракторах и автомобилях повышенной проходимости. Однако он не позволяет блокировать дифференциал при движении машины.  

Более перспективна блокировка дифференциала с помощью фрикционного сцепления 6 (рис. 6.6,б), которое при включении соединяет между собой ось 5 вращения сателлитов и полуосевую шестерню 3. Такой способ в отличие от предыдущего позволяет блокировать дифференциал при движении машины и широко применяется на тракторах. В результате существенно повышается ее проходимость.

Блокировка дифференциала с помощью специального блокировочного валика 10 (рис. 6.6,в), дополнительно устанавливаемого в трансмиссию, применяется на тракторах и осуществляется с помощью блокировочной шестерни-каретки 11, соединяющей левую и правую полуоси дифференциала через шестерни 7 конечной передачи. На тракторах также применяют блокировку дифференциала с помощью зубчатой муфты 4 (рис. 6.6,г), при включении которой блокируются левое и правое зубчатые колеса конечной (колесной) передачи 7, а следовательно, и полуоси дифференциала 8.

Принудительной блокировкой дифференциала необходимо пользоваться только кратковременно для преодоления возникших дорожных препятствий и для обеспечения требуемой маневренности машины при выполнении полевых и транспортных работ. Принудительная блокировка дифференциала в нормальных условиях эксплуатации приводит к интенсивному изнашиванию шин и, в ряде случаев, к потере управляемости машины. Особенно опасна принудительная блокировка дифференциала при выполнении транспортных работ в условиях гололеда. Здесь возможна полная потеря управляемости машины, что может привести к серьезной аварийной ситуации.

Дифференциалы повышенного трения к ведущему колесу, находящемуся в лучших условиях по сцеплению с опорной поверхностью, подводят крутящий момент больший на величину момента трения в дифференциале.

Дифференциалы повышенного трения широкое распространение получили на современных тракторах и автомобилях. На рис. 6.7 представлена схема шестеренного дифференциала повышенного трения переднего ведущего моста тракторов МТЗ. Дифференциал является самоблокирующимся, так как его момент трения пропорционален моменту, подводимому к корпусу 2 дифференциала. Это достигается следующим образом. При работе дифференциала крутящий момент от корпуса 2 передается  на оси 3 и 9 вращения сателлитов, сателлиты 4, полуосевые шестерни 5 и далее на полуоси 8. На концах осей 3 и 9 вращения сателлитов под углом 120о выполнены скосы, соответственно которым в корпусе 2 дифференциала выполнены гнезда - пазы. 

Возникающие при передаче крутящего момента на скосах корпуса 2 и осей вращения сателлитов осевые силы перемещают ось 3 влево, а ось 9 вправо. В результате сателлиты 4 перемещают нажимные стаканы 6 и сжимают комплекты блокировочных фрикционных дисков 7, создавая дополнительное трение в дифференциале. При этом, величина момента трения в дифференциале пропорциональна моменту, подводимому к его корпусу. Крутящий момент от корпуса дифференциала на полуосевые шестерни передается двумя потоками: первый поток - через оси вращения сателлитов 3 и 9, сателлиты 4 на полуосевые шестерни 5; второй поток – через корпус 2, комплект блокировочных фрикционных дисков 7 на полуосевые шестерни 5. В результате у данного дифференциала момент на отстающей полуоси увеличивается на величину момента трения в дифференциале.

Рис. 6.7. Схема дифференциала повышенного трения тракторов  МТЗ:

1 – центральная передача;  2 – корпус дифференциала;  3 и 9 – оси вращения сателлитов;  4 – сателлит;  5 – полуосевая шестерня; 6 – нажимной стакан; 7 - комплект блокировочных фрикционных дисков; 8 – полуось дифференциала

Это свойство дифференциала является положительным, так как при малых сопротивлениях движению трактора (движение по хорошей дороге) в дифференциале создается малый момент  трения. При увеличении сопротивления движению пропорционально возрастает момент трения в дифференциале. 

Таким образом, дифференциал автоматически приспосабливается к фону опорной поверхности, по которому движется машина. При этом в случае эксплуатации машины на твердой опорной поверхности (асфальт, бетон) ввиду малого момента трения в дифференциале сопротивление относительному проворачиванию его полуосей 8 незначительное. Следовательно, дифференциал оказывает очень малое влияние на интенсивность изнашивания шин. Отличительной особенностью различных схем шестеренных дифференциалов повышенного трения является способ создания сил, сжимающих комплекты блокировочных фрикционных дисков. В рассмотренной схеме силы создаются на скосах, выполненных на концах осей 3 и 9 вращения сателлитов под углом 120о.

На рис. 6.8 показан дифференциал, в котором сжатие комплектов блокировочных фрикционных дисков 1 осуществляется за счет осевых сил в зацеплении полуосевых шестерен 2 с сателлитами 3. Полуосевые шестерни 2 под действием осевых сил перемещаются и сжимают комплекты блокировочных фрикционных дисков. При этом сила сжатия дисков пропорциональна подводимому к корпусу дифференциала крутящему моменту.

Рис. 6.8. Шестеренный   дифференциал  

повышенного  трения: 1 – комплект блокировочных фрикционных дисков; 2 – полуосевая шестерня; 3 – сателлит;  4 – крестовина; 5 – опорная шайба сателлита;  6 – втулка сателлита

Червячные и кулачковые дифференциалы не получили широкого распространения на тракторах и автомобилях из-за высокого момента трения и связанного с ним  большого износа шин, низкой надежности, высокой стоимости и повышенного расхода топлива на передвижение машины. Поэтому их конструкции в учебнике не рассматривается.  

Механизмы распределения мощности с муфтами свободного хода иногда применяют в ведущих мостах современных тракторов и автомобилей. Эти механизмы  не имеют никакого от ношения к дифференциалам , так как связь между частотами вращения их звеньев не описывается уравнением кинематики трехзвенного дифференциального механизма. Однако в настоящее время их иногда ошибочно называют дифференциалами. Эти механизмы позволяют левой и правой полуосям вращаться вместе с одинаковой угловой скоростью и отключать одну полуось, передавая весь крутящий момент от корпуса на другую. 

Такой механизм (рис. 6.9,а) состоит из корпуса, образованного двумя чашками 1 и 4, ведущей муфты 2, кольца 7 ведущей муфты,

двух ведомых полумуфт 5 с разрезными кольцами 6, двух ступиц 10 и пружин 9 со стаканами. Ведомые полумуфты 5 пружинами  9 постоянно поджимаются к ведущей муфте 2.

Рис. 6.9. Механизм распределения мощности с муфтами свободного хода: а – конструкция; б – основные детали; в – положение ведущей муфты и ведомых полумуфт при повороте машины; г – положение разрезного кольца и кольца ведущей муфты при повороте машины; 1, 4 – чашки; 2 – ведущая муфта; 3 – шпонка; 5 – ведомая полумуфта; 6 – разрезное кольцо; 7 – кольцо ведущей полумуфты; 8 - пружинное кольцо; 9 – пружины; 10 - ступицы

На торцовых поверхностях ведущей муфты 2 нарезаны радиально расположенные зубья прямоугольного сечения. В ее отверстие вставлено кольцо 7, удерживаемое от осевого смещения пружинным кольцом 8, а от проворачивания шпонкой 3. На торцовых поверхностях кольца 7 ведущей муфты нарезаны зубья трапецеидального профиля. В зацеплении с ведущей муфтой 2 находятся две ведомые полумуфты 5, прижимаемые к ней пружинами 9 и имеющие на торцовых поверхностях, обращенных к ведущей муфте, по два ряда концентрически расположенных зубьев.  

Верхний ряд зубьев имеет прямоугольное сечение профиля и входит в зацепление с зубьями ведущей муфты 2 (рис. 6.9,б). Нижний ряд с зубьями трапецеидальной формы входит в зацепление с зубьями кольца 7 ведущей муфты. На каждой ведомой полумуфте 5 посажено разрезное пружинное кольцо 6 с торцовыми зубьями трапецеидальной формы и входящими в зацепление с зубьями кольца 7 ведущей полумуфты. Для ограничения угла поворота кольца 6 относительно ведущей муфты 2 служит шпонка 3, находящаяся в прорези кольца. Ступицы 10 связывают ведомые полумуфты с полуосями.

При прямолинейном движении машины ступицы 10 полностью заблокированы и вращаются со скоростью ведомого колеса центральной (главной) передачи. При этом крутящий момент передается зубьями ведущей муфты 2 на верхний ряд зубьев прямоугольного сечения ведомых полумуфт 5 и далее на ступицы 10 и полуоси, связанные с ведущими колесами машины. 

Аналогично положение ведущей муфты 2 и ведомых полумуфт 5 при движении трактора накатом вперед и назад, а также назад под действием тягового усилия (здесь меняется только рабочая сторона контакта зубьев).

При движении машины на повороте наружная относительно центра поворота полумуфта 5 стремиться вращаться быстрее, чем внутренняя и корпус механизма (рис. 6.9,в). В результате она в начале разгружается от передаваемого усилия и далее проворачивается вперед относительно ведущей муфты 2 в пределах зазора между зубьями прямоугольного сечения. 

Но так как нижний ряд зубьев ведомой полумуфты 5 находится в зацеплении с зубьями кольца 7, то поворот полумуфты вперед сопровождается выходом ее из зацепления с кольцом: происходит перемещение зубьев наружной полумуфты 5 относительно зубьев кольца 7 вследствие их трапецеидальной формы. При этом  наружная  полумуфта 5 перемещается в осевом  направлении относительно ведущей муфты 2, сжимая пружину 9. В результате верхний ряд зубьев прямоугольного профиля ведомой полумуфты 5 выходит из зацепления с зубьями ведущей муфты 2. 

Одновременно с отключением ведомой полумуфты выходит из зацепления и расположенное на ней разрезное кольцо 6 (см. рис. 6.9,г), которое, повернувшись вместе с полумуфтой в пределах ширины прорези (на половину шага зубьев), будет остановлено шпонкой 3 в тот момент, когда вершины его зубьев расположатся строго напротив вершин зубьев кольца 7. Такое положение кольца 6 удерживает от включения наружную полумуфту 5, которая свободно вращается с угловой скоростью, определяемой скоростью вращения забегающего колеса машины при повороте. При выходе из поворота угловая скорость вращения наружной полумуфты 5 уменьшается и она за счет сил трения поворачивает разрезное кольцо 6, которое при этом сходит с вершин зубьев кольца 7 и вместе с ней под действием пружины 9 входит в зацепление с зубьями ведущей муфты 2 и ее кольца 7. 

Таким образом, на протяжении всего поворота крутящий момент на полуось забегающего колеса не передается. При движении накатом на повороте происходит отключение полуоси отстающего колеса аналогично предыдущему случаю.

Работа механизма на поворотах при движении машины назад не отличается от работы на поворотах при движении вперед.

Уход за дифференциалами. Техническое обслуживание дифференциалов неразрывно связано с техническим обслуживанием главной передачи колесной машины.

В зависимости от конструкции дифференциалов и их блокировочных механизмов может производится периодическая регулировка зацепления конических шестерен и их блокировочных устройств.

Внешним признаком ненормальной работы дифференциала является повышенный уровень шума его шестерен при повороте машины, что указывает на нарушение их зацепления, вследствие износа зубьев и опорных шайб 19 под торцами сателлитов (см. рис. 6.2). 

В механизмах распределения мощности с муфтами свободного хода возможно смятие и изнашивание торцовых зубьев силопередающих и управляющих звеньев или поломки храповиков. При подобных дефектах необходима замена соответствующих деталей.