Дифференциалы автомобилей: Краткое методическое пособие (Кинематика, динамика и основы расчета шестерен дифференциала)

1 Назначение, классификация дифференциалов. Преимущества и недостатки

Дифференциал распределяет крутящий момент между ведущими колёсами одной оси, обеспечивая, кроме того, возможность колёсам вращаться с различными угловыми скоростями при движении автомобиля на повороте или по неровной дороге.

Дифференциалы по конструкции разделяют /2, 3/ на шестерёнчатые, кулачковые, червячные и с механизмами свободного хода.

Шестерёнчатые дифференциалы могут выполняться с коническими и цилиндрическими шестернями. Наибольшее распространение получили конические дифференциалы, обладающие большей компактностью в сравнении с цилиндрическими. Недостатком конических дифференциалов является наличие осевых усилий и большое трение на торцах конических шестерён.

Кулачковые дифференциалы могут быть однорядными (с одним рядом сухарей) и двухрядными (с двумя рядами сухарей). Кулачковые дифференциалы бывают с радиальным и осевым расположением сухарей.

Дифференциалы делятся на простые и блокирующиеся. Блокирующиеся дифференциалы могут быть с принудительной блокировкой и самоблокирующиеся.

Дифференциалы с принудительной блокировкой с места водителя применяются для возможности лучшего использования тягового усилия в случае различных коэффициентов сцепления правого и левого ведущих колёс.

В саморегулирующихся дифференциалах для увеличения тягового усилия на небуксующем колесе используется повышенное внутреннее трение. К дифференциалам повышенного внутреннего трения относятся кулачковые и червячные дифференциалы.

Особую группу дифференциалов представляют собой дифференциалы с механизмом свободного хода (МСХ), которые прекращают передачу крутящего момента к колесу, начинающему буксовать. В этом случае к небуксующему колесу передаётся от главной передачи весь крутящий момент.

Простой дифференциал распределяет крутящий момент практически поровну по полуосям. При одинаковых полуосевых шестернях дифференциал называется симметричным. При неодинаковых полуосевых шестернях дифференциал является несимметричным. Несимметричный шестерёнчатый дифференциал применяется в многоприводных автомобилях для распределения крутящего момента по ведущим мостам, в соответствии с приходящейся на них массой.

Ниже в пособии будут рассмотрены лишь принципы действия симметричного шестеренчатого дифференциала с коническими шестернями, как наиболее распространенного на отечественных автомобилях. Принцип действия дифференциалов повышенного трения (кулачковых, червячных) аналогичны, хотя их рабочие детали существенно отличаются от соответствующих деталей конических дифференциалов.

Ниже рассмотрен также принцип действия дифференциала с механизмом свободного хода.

При оценке же влияния типа МСХ колёсного дифференциала на проходимость автомобиля сравниваются по этому показателю все вышеназванные типы дифференциалов, в том числе и дифференциалы с принудительной блокировкой с места водителя.

2 Принцип действия и кинематика шестерёнчатого симметрического дифференциала

Дифференциал предназначен для распределения крутящего момента между ведущими колёсами одной оси, обеспечивая различную их частоту вращения при движении автомобиля на повороте или по неровной дороге.

Дифференциал состоит (рисунок 1) из коробки 3, в которой жестко закреплены пальцы крестовины, служащие одновременно осями сателлитов 4. Зубья сателлитов находятся в постоянном зацеплении с правой 5 и левой 6 полуосевых шестерён, связанных через правую 7 и левую 8 полуоси с соответствующими ведущими колёсами. Коробка 3 дифференциала приводится во вращение от карданной передачи с помощью ведущей 1 и ведомой 2 конических шестерён главной одинарной передачи. При двойной главной передаче крутящий момент от карданной передачи передаётся через пару конических и пару цилиндрических шестерён. В этом случае с коробкой 3 дифференциала непосредственно связана ведомая цилиндрическая шестерня.

При прямолинейном движении по ровной дороге сателлиты 4 не вращаются на своих осях, а совершают так называемое переносное движение (вращение) вместе с коробкой 3 дифференциала и обеспечивают через полуосевые шестерни 5, 6 и полуоси 7, 8 вращение правого и левого ведущих колёс с одинаковой частотой. Если же автомобиль движется на повороте, то внешнее по отношению к мгновенному центру поворота колесо проходит путь больший, чем внутреннее и, чтобы обеспечить вращение колёс без пробуксовывания или проскальзывания внешнее (забегающее) колесо должно вращаться быстрее, чем внутреннее. В этом случае различные частоты вращения ведущих колес получаются за счёт вращения на своих осях сателлитов.

Дифференциал относится к планетарным передачам закрытого типа. Это означает, что ни одно из его звеньев при работе не останавливается, как это имеет место в открытых планетарных передачах. Роль водила в дифференциале выполняет коробка 3.

Установим связь между частотами вращения звеньев дифференциала, используя формулу Виллиса (см. рисунок 1):

                                                  (1)

где     w₃, w₅, w₆ – угловые скорости вращения соответственно коробки 3 дифференциала, правой 5 и левой 6 полуосевых шестерён;