Мосты автомобиля, классификация
Мосты автомобиля объединяют несущую систем транспортного средства с колесами, играют роль промежуточного звена между кузовной частью и двигателем.
Они отличаются по конструкции, расположению, назначению, типу подвески и иным признакам. Ниже рассмотрим назначение таких механизмов, приведем их классификацию, поговорим о требованиях к ним и функциональных особенностях редукторов.
Назначение мостов
Мост автомобиля — комплекс узлов, предназначенных для удерживания рамы и кузовной части, а также передачи момента на колеса, а далее на рамную часть транспортного средства. По сути, это металлические балки с дополнительными механизмами или без них. Мосты принимают на себя:
Главное отличие моста состоит в наличии балки, которая связывает колеса на одной оси. Число таких узлов на одном транспортном средстве может быть от одного и более.
Но есть машины, в которых вообще отсутствует мост, когда колеса связываются друг с другом и ходовой частью с помощью элементов, не формирующих самостоятельную конструкцию. В таких обстоятельствах речь идет только о подвеске.
Требования к мостам
К автомобильным мостам предъявляется ряд требований, ориентированных на безопасность применения транспортного средства.
В основным стоит отнести:
Особые требования могут предъявляться и к определенным типам механизмов. К примеру, для ведущего моста автомобиля это передача крутящего момента к колесам и его увеличение, передача инерции кузова к колесам и т. д.
Классификация мостов
При изучении мостов автомобиля важно учесть их классификацию по базовым критериям: назначение, расположение, конструкция и тип подвески. Рассмотрим каждый из видов подробнее.
По назначению
Рассматриваемые механизмы отличаются по назначению и бывают следующих типов:
По расположению
В классификации мостов транспортного средства необходимо учитывать и их расположение. Здесь доступно несколько вариантов:
По конструкции
При рассмотрении мостов необходимо учитывать и их конструктивные особенности. Здесь выделяется два варианта:
Мосты с балкой отличаются и по технологии. Они бывают:
По типу подвески
Конструктивно все мосты автомобиля делятся и по типу подвески. Они бывают:
Функции редуктора моста
Одним из главных элементов переднего или заднего моста — редуктор, который берет на себя момент вращения от коленчатого вала двигателя, снижает его и передает дальше элементам трансмиссии. В частности, промежуточную функцию выполняет межосевой дифференциал, распределяющий момент на ведущие колеса в конкретном соотношении.
В зависимости от места установки выделяется передний и задний редуктор. Так, в машинах с передним приводом используется редуктор соответствующего моста, встроенный в КПП. В автомобилях с задним приводом этот элемент стоит сзади транспортного средства. В ТС с полным приводом используется 2-редукторная схема.
В частности, передний находится в коробке передач, а задний — на оси. Оба узла соединяются друг с другом с помощью кардана.
В зависимости от соединения зубцов шестеренок выделяется четыре типа редукторов:
Главным параметром редуктора является передаточное число, по которому можно судить об отношении угловых скоростей ведущего / ведомого валов. Устройства с высоким параметром ставятся на грузовики с высокой массой. Такие авто перемещаются с небольшой скоростью, но способны перевозить большие грузы. Аппараты с низким передаточным числом ставятся на авто с небольшим весом, что позволяет перемещаться с большей скоростью.
Передаточное число определяется по числу зацеплений ведущей и ведомой шестеренок. К примеру, параметр 5.1 говорит о том, что при одном обороте ведущая шестерня будет контактировать с ведомой 5,1 раз.
Важность моста автомобиля сложно переоценить, ведь этот агрегат связывает правое / левое колесо оси, принимает на себя основные усилия и через подвеску направляет их на несущую конструкцию. Главной особенностью узла является его гибкость и большое количество исполнений в зависимости от назначения, грузоподъемности и других особенностей транспорта.
Устройство редуктора моста автомобиля
Мост автомобиля.
Продолжаем познавательную страничку.
Мост объединяет между собой два колеса автомобиля на одной оси, соединяет колеса с кузовом, а в случае, если мост ведущий, передает на колеса крутящий момент.
Мост, особенно ведущий — сложный узел из множества деталей, выполняющих разные функции. В картере ведущего моста расположены: главная пара, дифференциал и полуоси. Мост воспринимает на себя все вертикальные, поперечные и продольные нагрузки, которые гасятся упругими элементами подвески — рессорами или пружинами.
Соответственно, мост не имеет жесткой связи с кузовом (рамой) и соединяется с ним при помощи рессор с реактивными тягами или рычагов с пружинами, в зависимости от конструкции. По сути, мост как бы висит на этих элементах, соединенных с кузовом или рамой через резинометаллические втулки.
Ведущий мост
Ведущие мосты бывают передними, задними и промежуточными. Они также делятся на неразрезные и разрезные — в зависимости от типа подвески. Если автомобиль оснащен независимой подвеской, ведущий мост делается разрезным, если подвеска зависимая, мост, как правило, неразрезной.
На легковых автомобилях классической компоновки задний мост ведущий, на полноприводных автомобилях ведущие оба моста.
Управляемый мост
Когда речь идет об управляемом мосте, в подавляющем большинстве случаев имеется в виду передний мост автомобиля с задним или полным приводом. Однако у автомобилей специального назначения (автомобили коммунальных служб, сельскохозяйственная колесная техника, погрузчики др.) передний мост может быть ведущим, а задний мост – управляемым.
Поддерживающий мост
Поддерживающий мост применяется в качестве промежуточного для повышения грузоподъемности автомобиля и служит дополнительным элементом в схеме распределения вертикальной нагрузки на раму или несущий кузов. Такой мост представляет собой прямую балку, на концах которой смонтированы колеса, оснащенную подвеской. Поддерживающие мосты также нашли применение в крупных и тяжелых полуприцепах и прицепах для легковых автомобилей и пикапов (например в «доме на колесах»).
Неразрезной ведущий мост
Конструктивно такой мост выполняется пустотелым в виде балки, для размещения в ней узлов трансмиссии: дифференциала, главной пары и полуосей, являющихся приводом к ведущим колесам автомобиля. На концах балки установлены подшипники полуосей и смонтированы фланцы для крепления опорных дисков и тормозных механизмов. На теле балки выполнены площадки под крепления рессор или пружин, а также кронштейны для соединения с подвеской.
Назначение ведущего моста заключается в изменении подведенного крутящего момента и передачи его под прямым углом на ведущие колеса. При прохождении поворота ведущий мост дает возможность ведущим колесам автомобиля вращаться с различными скоростями. Мост также передает тяговое усилие и реактивный момент к раме или несущему кузову автомобиля от ведущих колес, а также воспринимает силу веса и боковые реакции, при движении автомобиля в повороте.
Конструкция неразрезного заднего моста
Задний мост автомобиля включает в себя следующие элементы: картер заднего моста, дифференциал, главную передачу и полуоси привода колес. Картер заднего моста служит для установки необходимых узлов с их заданным взаимным расположением, передающих крутящий момент к ведущим колесам. Вместе с тем картер заднего моста одновременно является элементов подвески задних колес, воспринимающий через подвеску вес автомобиля, передающийся на колеса.
Картер заднего моста выполнен методом штамповки. На концах картера запрессованы и приварены стальные кованые фланцы, которые окончательно обрабатываются после сварки. Фланцы имеют специальные гнезда для установки подшипников полуосей и резьбы для крепления тормозного щита.
В средней части картера моста имеется отверстие впереди для установки редуктора заднего моста (главная передача), а сзади это отверстие закрыто штампованной приваренной крышкой. В крышке расположено маслозаливное отверстие под резьбовую пробку. Снизу картера имеется отверстие для слива масла, которое также закрывается резьбовой пробкой. Обычно в пробке имеется магнитный элемент для сбора металлических продуктов износа, которые удаляются с пробки при смене масла в редукторе.
Подводимое к заднему мосту усилие (крутящий момент) от двигателя через карданную передачу увеличивается главной передачей в редукторе. Помимо этого главная передача изменяет положение оси вращения на 90 градусов посредством передачи момента через шестерни дифференциала на полуоси.
Полуоси выполнены из углеродистой стали 40 и по всей длине закалены ТВЧ для придания им упругих свойств и увеличения их прочности. На концах полуосей имеются отлитые воедино с ней фланцы, к которым крепятся тормозные механизмы и колеса. Внутренняя часть полуосей имеет накатанные шлицы, входящие в зацепление с шестернями дифференциала.
Управляемый мост
Управляемый мост автомобиля может быть как разрезным, так и не разрезным.
Неразрезной мост представляет собой балку с поворотными кулаками на концах, что обеспечивает возможность поворота управляемых колес при движении автомобиля. На цапфах поворотных кулаков крепятся через ступицы управляемые колеса.
Балка моста одновременно должна быть легкой, прочной и жесткой. Таким условиям отвечают в наибольшей степени, кованные стальные балки двутаврового сечения. На балке предусмотрены опорные площадки для крепления элементов подвески.
Балка в своей средней части выгнута вниз, для того чтобы расположить двигатель как можно ниже, что позволяет сместить центр тяжести для повышения устойчивости автомобиля.
Передний разрезной управляемый мост
Разрезной мост это закрепленный на подрамнике редуктор с приводными валами, передающими крутящий момент колесам. Независимая подвеска соединяется с поворотными кулаками, как это бывает у переднеприводных автомобилей. Управляемые колеса, прикрепленные к ступицам, могут поворачиваться вместе со стойками, обеспечивая автомобилю возможность маневрировать.
Ведущие мосты грузовиков
Применительно к автомобилю «мост» – это, прежде всего, несущая конструкция, объединяющая колеса одной оси, относящаяся к подвеске. «Ведущий мост» предполагает еще и передачу усилия к колесам. Именно этот аспект мы и рассмотрим, поскольку подвеске уже посвятили две статьи.
Для передачи крутящего момента к ведущим колесам несущая конструкция дополняется множеством устройств, которые могут выполняться в виде отдельных агрегатов (что более характерно для легковых машин), но чаще всего располагаются внутри балки. Они обеспечивают увеличение момента в соответствии с передаточным отношением главной передачи. Двух- и трехскоростные главные передачи предоставляют водителю возможность выбора передаточного отношения. К механизмам, передающим крутящий момент, относятся главная передача, дифференциал, полуоси и ступицы.
Одноступенчатая главная передача
Она может быть выполнена в виде спирально-конического, гипоидного, червячного или цилиндрического редуктора. В двухступенчатой передаче первую ступень обычно образуют с помощью конической или гипоидной передачи, а вторую – цилиндрической, шевронной или планетарной. При этом двухступенчатые передачи могут быть как одно-, так и двухскоростными.
Гипоидные передачи нашли широкое применение на грузовых автомобилях. Около 2/3 американских грузовиков, имеющих один ведущий мост, снабжены гипоидными передачами. Ford и GM оснащают гипоидной передачей грузовики всех типов, в том числе трехосные, магистральные тягачи, а также автомобили особо большой грузоподъемности.
Гипоидные передачи относятся к передачам со скрещивающимися осями. По свойствам они являются промежуточным звеном между коническими и червячными передачами. К характерным свойствам гипоидных передач относятся:
Специфика зацепления шестерен в гипоидной передаче предъявляет повышенные требования к смазке. Для гипоидных главных передач должны использоваться только специальные масла. Они отличаются от обычных тем, что благодаря специальным добавкам, содержащим серу, хлор или фосфор, обеспечивают высокую прочность масляной пленки, не разрушающейся даже в тех тяжелых условиях, которые возникают в гипоидном зацеплении, и тем самым зубья предохраняются от задира. Иные масла в эксплуатации использовать недопустимо.
Червячные главные передачи применяются в автобусах (ими снабжена треть австралийских автобусов) и многоосных грузовых автомобилях (американские Peterbilt, английские Atkinson, Seddon и др.). Червяк может находиться как над червячным колесом, так и под ним.
Червячные передачи обладают рядом достоинств:
Недостатками червячной передачи являются: сложность и высокая стоимость изготовления, меньший КПД. Современные червячные передачи по этому параметру приближаются к коническим редукторам, но для получения высокой эффективности зубчатый венец червячного колеса делают из высококачественной оловянистой бронзы (11 – 14% олова), используют передачи с большими углами высокой линии червяка, а обработка поверхности червяка должна быть весьма точной. Использование дорогих материалов, их дорогостоящая обработка и высокая стоимость нарезки самого червяка в производстве – причины, по которым применение червячных передач весьма ограничено.
Двухступенчатая главная передача
Когда величина передаточного числа обуславливает чрезмерные размеры ведомой шестерни в одноступенчатом редукторе, используют двухступенчатую главную передачу. Она позволяет получить большие передаточные числа, необходимые для создания значительной силы тяги на ведущих колесах. Последнее обстоятельство с каждым годом имеет все большее значение, так как способствует достижению лучшей динамики разгона автопоездов и повышению их средней скорости на трассе.
При распределении общего передаточного числа двухступенчатых передач по отдельным зубчатым парам руководствуются следующими положениями:
1 – передаточное число передачи, осуществляющей снабжение крутящим моментом непосредственно колес должно быть максимальным;
2 – передаточное число конической или гипоидной ступени должно быть по возможности малым. Исходя из этого, в грузовых автомобилях все чаще выполняют вторую ступень в виде планетарного ряда, размещенного в ступице колеса (разнесенная главная передача).
Двухступенчатые передачи по конструктивной схеме разделяют на две основные группы: передачи, расположенные в средней части моста (заключенные в одном картере) и разнесенные передачи (одноступенчатая главная передача располагается в картере моста и отдельно размещается связанный с ней привод колеса или колесный редуктор).
Колесные редукторы встречаются только на полноприводных грузовых автомобилях. Применение колесного редуктора приводит к увеличению числа деталей ведущего моста, но не увеличивает его массу. Это происходит потому, что основные части ведущего моста (главная передача, дифференциал, полуоси) воспринимают меньшие крутящие моменты, увеличиваемые в нужной мере лишь в колесных редукторах. Благодаря этому основные детали ведущего моста имеют меньшие размеры, а следовательно, меньшую массу, чем при получении идентичного крутящего момента с помощью одноступенчатой главной передачи.
Двухступенчатые разнесенные передачи бывают двух типов:
– одноступенчатая коническая или гипоидная передача в картере моста, соединенная с цилиндрической передачей наружного зацепления привода колес, которая может располагаться в отдельном картере между дифференциалом и ступицей колеса или даже в ступице колеса. Передача внутреннего зацепления обычно размещается в ступицах колес;
– одноступенчатая коническая или гипоидная главная передача, соединенная с планетарной передачей, расположенной в ступицах колес. Такая конструкция отличается рядом преимуществ: малые размеры конической или гипоидной передачи; планетарная передача размещена вне тормозов; соосное положение шестерен, передающих крутящий момент; разделение передаваемого момента между тремя или пятью сателлитами; высокий КПД и др.
С коробкой на мосту
А теперь о двухскоростных передачах в ведущих мостах. Их применение позволяет удвоить число передач трансмиссии без установки сложных многоступенчатых коробок передач, причем низшие передаточные числа могут быть получены путем включения второй ступени передачи, благодаря чему карданный вал и первая ступень не воспринимают увеличенного крутящего момента.
Двухскоростные передачи применяют на магистральных тягачах с одним ведущим мостом, созданных на базе обычных автомобилей. В этом случае двухскоростная передача позволит увеличить максимальное передаточное число трансмиссии (что необходимо в связи с увеличением полной массы грузовика) и число передач, так как разница между массами груженого и не груженого автомобиля (особенно в случае седельного тягача) весьма большая. В этом случае все остальные механизмы грузовика остаются неизменными.
Встречаются двухскоростные главные передачи, включающие цилиндрические шестерни внешнего зацепления, вращающиеся на поперечном валу, и кулачковую муфту, которая, перемещаясь по шлицам и входя в зацепление с зубчатыми венцами шестерни, жестко соединяют их с валом. При перемещении муфты влево включается большее передаточное число, а при перемещении вправо – меньшее. В главных передачах такого типа всегда работают две пары зубьев, в связи с чем потери в зацеплении такие же, как и в двухступенчатой главной передаче, однако потери на взбалтывание масла возрастают. Недостатком такой схемы является увеличение размеров и массы всего моста.
На некоторых грузовых автомобилях можно встретить ступенчатые планетарные главные передачи, преимущественно двухскоростные, а в последнее время и трехскоростные. Планетарные ряды способствуют повышению компактности узла, но при этом повышают его стоимость.
И в заключение
Многообразие типов задних мостов и главных передач помогают покупателю автомобиля лучше подобрать грузовик в соответствии с теми условиями, в которых машине предстоит работать. С другой стороны, жесткая конкуренция между автопроизводителями и борьба за каждого покупателя на рынке способствуют тому, что многообразие конструкций все больше возрастает.
4.8. Ведущие мосты тракторов и автомобилей
Ведущие мосты автомобилей
Ведущие мосты предназначены для передачи вращающего момента с карданного вала к ведущим колесам автомобиля, а также для восприятия сил, передающихся при движении от колес к подвеске.
Ведущие мосты по конструкции бывают неразрезные и разрезные.
Неразрезной мост имеет жесткую конструкцию в виде балки (цельной или составной). Балки ведущих мостов могут быть штампованными и литыми. Составные балки прочнее цельных, но их изготовление более трудоемко, а жесткость зависит от надежности выполненного соединения. На балке крепят рессоры, толкающие и реактивные штанги, фиксирующие мост относительно рамы (кузова). Балка ведущего моста является несущей и через нее вес машины передается на колеса.
Разрезной мост представляет собой шарнирную конструкцию, позволяющую правому и левому колесам перемещаться независимо одно относительно другого. Колеса ведущих мостов автомобилей могут быть либо только ведущими (задние мосты), либо одновременно ведущими и управляемыми (передние мосты).
Ведущие мосты состоят из главной передачи, дифференциала, привода ведущих колес, балки моста или устройства для передачи сил от ведущих колес к раме (кузову) автомобиля.
Основные требования, предъявляемые к ведущему мосту: по возможности меньшие габаритные размеры для получения наибольшего дорожного просвета и небольшая масса.
Главная передача предназначена для увеличения вращающего момента, передаваемого к ведущим колесам. В автомобилях с продольным расположением трансмиссии главная передача, кроме этого, поворачивает направление передачи вращающего момента на 90°. Конструкция главных передач должна обеспечивать необходимое передаточное число, высокий КПД, минимальные габаритные размеры и массу, а также плавную и бесшумную работу.
В зависимости от типа зубчатой передачи различают шестеренные (цилиндрические или конические) и червячные главные передачи. Червячные передачи из-за меньшего, чем у шестеренных передач, КПД получили ограниченное применение. Шестеренные главные передачи могут быть одинарными и двойными.
Одинарная главная передача представляет собой пару конических шестерен с криволинейными зубьями. В отличие от главной передачи с пересекающимися осями (рис. 4.24, а) в передаче с гипоидным зацеплением (рис. 4.24, б) оси скрещиваются и смещение С оси вала шестерни относительно центра зубчатого колеса составляет обычно 50…60 мм. Основным преимуществом использования гипоидного зацепления является повышенная долговечность передачи, так как с увеличением смещения оси вала ведущей шестерни возрастает число зубьев, находящихся в зацеплении. Это обеспечивает также большую плавность и бесшумность работы передачи по сравнению с другими типами главных передач. Кроме того, положение оси ведущей шестерни позволяет ниже расположить кузов, а следовательно, и центр массы автомобиля, что повышает его устойчивость.
Рис. 4.24. Одинарная главная передача с коническими шестернями: а — с пересекающимися осями; б — со скрещивающимися осями (гипоидная); С— смещение оси вала шестерни относительно центра зубчатого колеса
В гипоидных передачах применяются специальные сорта смазывающих средств (гипоидные смазки), так как у них относительное скольжение зубьев больше, чем у конических передач других типов. Одинарные главные передачи используются на легковых автомобилях, а также на грузовых автомобилях малой и средней грузоподъемности.
На рис. 4.25, а показана конструкция одинарной главной передачи грузовых автомобилей ГАЗ с кулачковым дифференциалом. Ведущий вал-шестерня 9 исполнен как единая деталь, ведомая шестерня 26 закреплена на корпусе 22 кулачкового дифференциала. Шестерни вместе с дифференциалом размещены в картере 19 главной передачи и вращаются на роликоподшипниках 6, 16, 29 и 18.
Рис. 4.25. Одинарная главная передача с кулачковым дифференциалом ведущих мостов грузовых автомобилей ГАЗ: а — конструкция главной передачи; б — устройство для смазывания подшипников; 1,13 — болты; 2 — внутренняя звездочка; 3 — болт крепления ведомой шестерни к корпусу дифференциала; 4 — винт упора; 5,15 — регулировочные прокладки; 6,16, 29 — конические роликоподшипники; 7, 24 — крышки; 8,20— гайки; 9 — ведущий вал-шестерня; 10 — фланец; 11 — манжета; 12 — маслосгонное кольцо; 14 — стакан; 17 — маслоналивная пробка; 18 — цилиндрический роликоподшипник; 19 — картер главной передачи; 21 — полуось; 22 — корпус кулачкового дифференциала; 23 — стопорная пластина; 25 — кулачок; 26 — ведомая шестерня; 27 — наружная звездочка; 28 — сепаратор; 30 — втулка; 31 — верхний канал; 32 — нижний канал
Регулировка зазора в зацеплении конических шестерен осуществляется регулировочными прокладками 5 под фланцем стакана 14, в котором размещен ведущий вал-шестерня 9. Для предотвращения больших деформаций ведомой шестерни под действием сил от передаваемого момента в картере 19 главной передачи установлен упор, регулируемый винтом 4.
Для принудительного смазывания конических подшипников вала-шестерни 9 (рис. 4.25, б) применяется маслосъемная втулка 30. Масло, увлекаемое вращающейся ведомой шестерней 26, собирается маслосъемной втулкой в момент их соприкосновения, и далее из маслосъемной втулки масло по верхнему каналу 31 подводится к коническим роликоподшипникам 6 и 16, а по нижнему каналу 32 отводится от них.
Двойная главная передача применяется в тех случаях, когда необходимы большие передаточные числа, но из-за больших размеров ведомого зубчатого колеса уменьшается дорожный просвет и невозможно применить одинарную коническую передачу. Шестерни в двойных главных передачах на первой ступени обычно конические, а на второй цилиндрические. Цилиндрические шестерни делают с косыми зубьями.
Двойные главные передачи бывают центральные, их выполняют в одном картере (рис. 4.26), располагая в середине моста, или разнесенные, где каждая ступень передачи выполняется отдельно. В двойных разнесенных главных передачах пару цилиндрических шестерен — ведущую 2 (рис. 4.27) и ведомую 3 переносят к колесам. В некоторых конструкциях главных передач вторую ступень делают планетарной. Конструкция отдельных узлов двойной главной передачи аналогична конструкции одинарной главной передачи.
Рис. 4.26. Центральная двойная главная передача и шестеренный дифференциал переднего ведущего моста автомобиля КамАЗ-4310:
1 — крышка подшипника; 2 — ведомое цилиндрическое колесо; 3 — корпус дифференциала; 4 — опорная шайба полуосевой шестерни дифференциала; 5, 13, 14, 24, 25 — конические роликоподшипники; 6 — полуосевая шестерня дифференциала; 7 — опорная шайба сателлита; 8, 22 — цилиндрические роликоподшипники; 9 — шпонка; 10 — заглушка; 11 — ведущий вал; 12 — ведущая коническая шестерня; 15— сальник; 16 — фланец ведущего вала; 17, 27— крышки; 18, 26 — стаканы подшипников; 19, 30— регулировочные шайбы; 20— распорная втулка; 21 — ведомая коническая шестерня; 23 — ведущая цилиндрическая вал-шестерня; 28 — шайба; 29 — гайка; 31 — картер главной передачи; 32 — крестовина дифференциала; 33 — сателлит; 34 — регулировочная гайка
Рис. 4.27. Двойная разнесенная главная передача ведущего моста колесного трактора: 1 — ведомая коническая шестерня первой ступени; 2, 3 — ведущая и ведомая цилиндрические шестерни второй ступени
Опоры и подшипники шестерен главной передачи выбирают из условия получения заданной долговечности и максимальной жесткости конструкции. Ведущая коническая шестерня главной передачи может быть смонтирована консольно (опоры с одной стороны, как показано на рис. 4.27) или в опорах, расположенных с обеих ее сторон (см. поз. 16, 18 на рис. 4.25 и поз. 8, 13 на рис. 4.26).
При применении опор с обеих сторон ведущей шестерни конструкция обладает большей жесткостью, чем при консольном варианте, но усложняется обработка картера. Такое решение используется в тех случаях, когда через главную передачу передается большой вращающий момент, который может вызвать значительные деформации вала. Данная конструкция получила распространение почти на всех современных грузовых автомобилях, а консольная конструкция — на большинстве легковых автомобилей.
Дифференциал служит для распределения вращающего момента между ведущими мостами или колесами автомобиля в определенной пропорции, позволяющей им в то же время вращаться с разными угловыми скоростями.
При повороте или движении автомобиля по неровной дороге колеса должны проходить разные по величине пути. Если колесамоста соединить между собой валом, то угловые скорости колес будут равны. Разность путей, проходимых колесами, должна в этом случае компенсироваться проскальзыванием или пробуксовыванием шин относительно дороги, вызывая интенсивное их изнашивание.
Такое явление также возможно при движении по ровной дороге в случае, когда различаются радиусы ведущих колес. Радиусы колес могут быть неодинаковыми по причине неравномерного изнашивания протекторов, разного давления в шинах или несимметричного приложения нагрузки. Это сопровождается явлениями изнашивания не только шин, но и деталей, связывающих ведущие колеса и мосты, а также перерасходом топлива в связи с затратой дополнительной мощности двигателя на пробуксовку колес. При этом затрудняется поворот машины и снижается ее боковая устойчивость. Для устранения подобных явлений у автомобилей и колесных тракторов служит дифференциал.
В зависимости от характера распределения вращающего момента дифференциалы бывают симметричные (рис. 4.28, а) и несимметричные (рис. 4.28, б). Симметричный дифференциал конструктивно объединяется с главной передачей ведущего моста.
Рис. 4.28. Кинематические схемы дифференциалов:
а — симметричные; б — несимметричные; 1,4 — полуосевые шестерни; 2 — корпус дифференциала (водило); 3 — сателлиты
На грузовых автомобилях повышенной проходимости с двумя ведущими мостами в конструкции раздаточной коробки часто применяется несимметричный межосевой дифференциал, который распределяет вращающий момент двигателя между передним и задним ведущими мостами пропорционально весу машины, приходящемуся на них.
По конструкции дифференциалы бывают шестеренные (см. поз. 6 и 33 на рис. 4.26), кулачковые (см. поз. 2, 25, 27 и 28 на рис. 4.25), червячные и с механизмом свободного хода.
По способу блокировки дифференциалы бывают неблокируемые, блокируемые принудительно и самоблокирующиеся.
Дифференциал должен обладать высоким КПД и малой массой, работа его должна быть бесшумной.
Рассмотрим закономерности распределения дифференциалом частоты вращения и вращающего момента между ведущими колесами моста.
Межколесный дифференциал (рис. 4.29) представляет собой планетарный механизм, состоящий из корпуса 3 дифференциала (ведущее звено), сателлитов 6, левой и правой полуосевых шестерен 5, соединенных соответственно с левым и правым ведущими колесами. При вращении корпуса дифференциала 3 с частотой вращения n3 левая и правая полуосевые шестерни 5 могут вращаться с частотой вращения n1 и n2. Для планетарных механизмов важной характеристикой является величина К — отношение радиусов r2 и r1 полуосевых шестерен соответственно правой и левой полуосей:
Частоты вращения элементов дифференциала связаны между собой уравнением
Рис. 4.29. Кинематическая схема межколесного дифференциала
Знак минус у величины К указывает на то, что при остановке корпуса 3 дифференциала (n3 = 0) полуосевые шестерни могут вращаться в противоположные стороны, т.е. n1= – n2.
Для симметричных дифференциалов, у которых К = 1, т.е. полуосевые шестерни имеют одинаковые диаметры, уравнение принимает вид
Из условия равновесия межколесного дифференциала под действием моментов, приложенных к его элементам, можно записать уравнение моментов, Н*м:
где M3 — вращающий момент, подведенный к дифференциалу; М1, М2 — вращающие моменты, передаваемые от дифференциала на левое и правое ведущие колеса.
Соотношения между моментами М1, М2 и M3 легко установить из равновесия сателлита относительно точки О под действием сил Р1 и Р2. При этом силы трения между элементами дифференциала не учитываются. Зная радиус сателлита rc, получим Р1 rc – Р2 rc = 0. Из этого находим, что Рх = Р2.
Из кинематической схемы на рис. 4.29 следует, что М1 = Р1 rc и М2= Р2 rc. Поскольку r1= r2, получим M1 = M2
С учетом уравнения моментов дифференциала получаем M1 = М2 = 0,5M3, что и отличает симметричный межколесный дифференциал от несимметричного межосевого дифференциала, у которого К ≠ 1. Соответственно у несимметричного межосевого дифференциала полуосевые шестерни имеют разные диаметры, что обеспечивает подведение разных моментов к мостам.
Распределение вращающего момента симметричным дифференциалом поровну между ведущими колесами является положительным свойством при движении автомобиля по дороге с высоким коэффициентом сцепления φ в случае, когда на каждое колесо действует одинаковая реакция грунта Z/2. При этом уменьшается нагруженность привода колес, уменьшается изнашивание шин, снижается расход топлива и не создается момент сопротивления повороту вследствие симметричности приложения сил.
Однако проходимость автомобиля с симметричным дифференциалом ухудшается, когда одно из колес попадает на участок дороги с низкими сцепными свойствами. Вращающий момент на этом колесе уменьшается до значения, ограниченного коэффициентом φ min сцепления колеса с дорогой. Поскольку моменты на левом и правом ведущих колесах должны быть равны, такой же вращающий момент действует и на колесо, находящееся на участке с высоким коэффициентом φ сцепления колеса с дорогой.
Если суммарный вращающий момент недостаточен для движения автомобиля, то колесо, попавшее на участок дороги с низким коэффициентом φ min сцепления с дорогой, начнет буксовать, т.е. вращаться быстрее корпуса дифференциала и соответственно быстрее колеса, находящегося на участке с высоким коэффициентом φ сцепления колеса с дорогой. Для устранения этого недостатка применяется блокировка дифференциала.
Механизм блокировки дифференциала, повышающий проходимость автомобиля, связывает между собой ведущие колеса, в результате чего они вращаются с одинаковыми угловыми скоростями. Каждое колесо при этом начинает передавать вращающий момент в зависимости от своего коэффициента сцепления с дорогой. Это позволяет использовать полностью сцепной вес на ведущем мосту при создании силы тяги Рк. Для блокировки используется зубчатая муфта 4 (см. рис. 4.29), которая жестко связывает левую полуось с корпусом дифференциала, и взаимное перемещение элементов дифференциала невозможно. Включение принудительной блокировки осуществляется водителем.
Для автоматического включения и выключения блокировки в процессе движения машины применяются самоблокирующиеся дифференциалы. Самоблокируюгциеся дифференциалы бывают двух типов: повышенного трения и свободного хода.
Принцип действия дифференциала повышенного трения основан на искусственном увеличении сил внутреннего трения, в результате которых осуществляется самоблокировка дифференциала. К этому типу относятся дифференциалы с фрикционными дисками, кулачковый (см. рис. 4.25) и червячный.
В качестве примера рассмотрим тип дифференциала с механизмом свободного хода. Широкое применение он находит в конструкции ведущих мостов колесных тракторов, предназначенных для работы в тяжелых дорожных условиях. Ведущая муфта 3 (рис. 4.30, а) дифференциала закреплена между двумя половинами 1 и 2 коробки дифференциала и своими торцовыми зубьями сцепляется с зубьями полуосевых муфт 4. Когда оба колеса испытывают одинаковое сопротивление и вращаются с одинаковой угловой скоростью, ведущая муфта 3 передает вращение к полуосевым муфтам 4, как это показано на рис. 4.30, б. Полуосевые муфты 4 передают усилие к полуосям через ступицы 1 посредством наружных и внутренних шлицов. Внутри ведущей муфты 3 имеется центральная вставка 9 с трапецеидальными зубьями, закрепленная в ней стопорным кольцом 10. С этими зубьями сцепляются внутренние зубья полуосевой муфты 4.
Рис. 4.30. Дифференциал с механизмом свободного хода:
а — конструкция дифференциала; б — положение муфт дифференциала при одинаковых угловых скоростях вращения колеса; в — положение муфт дифференциала в случае, когда правое колесо стремится обогнать ведущую муфту дифференциала; г — положение запорного кольца в случае, когда правая полуосевая муфта стремится обогнать ведущую муфту дифференциала; 1,2 — половины коробки дифференциала; 3 — ведущая муфта дифференциала; 4 — полуосевая муфта; 5 — пружина; 6 — зубчатое зацепление полуосевой муфты 4 и ступицы 7; 7 — ступица; 8 — запорное кольцо; 9 — центральная вставка; 10 — стопорное кольцо; → — направление перемещения муфт дифференциала
Если одно из колес (например, правое) при буксовании стремится увеличить угловую скорость и обогнать ведущую муфту 3, то трапецеидальные зубья начнут отжимать полуосевую муфту 4, сжимая пружины 5, и выводить зубья ведущей муфты 3 дифференциала из зацепления с наружными зубьями полуосевой муфты 4 (рис. 4.30, в), и передача усилия к обгоняющему колесу прекращается. Однако на следующей впадине трапецеидальные зубья снова включатся и выключатся. При этом дифференциал работает с щелчками в соответствии с кратковременными включениями, т.е. в пульсирующем режиме, который приводит к ускоренному изнашиванию деталей. Для устранения пульсации вводят запорное кольцо 8 (см. рис. 4.30, а), перемещение которого ограничивается удлиненными зубьями зубчатого зацепления 6 таким образом, что оно после первого выключения полуосевой муфты 4 удерживает ее в выключенном положении в течение всего времени, пока она стремится обгонять ведущую муфту 3 дифференциала (рис. 4.30, г).
Привод к ведущим колесам осуществляется с помощью валов, называемых полуосями, которые подводят вращающий момент от дифференциала. В зависимости от того, управляемые или неуправляемые ведущие колеса, а также наличия колесного редуктора вращающий момент может передаваться валом и шарниром равных угловых скоростей; валом через колесный редуктор; полуосью, соединяющей непосредственно ведущее колесо с дифференциалом.
Полуоси могут быть нагружены вертикальной силой Z (рис. 4.31, а), продольной толкающей Рх и поперечной Pγ силами, из которых последняя возникает при крене автомобиля и при взаимодействии колеса с неровностями. Кроме этого, полуось передает вращающий момент. В зависимости от конструкции подшипникового узла полуось ведущего колеса может быть либо нагружена изгибающим моментом от сил взаимодействия колес с дорогой, либо разгружена от него. По степени освобождения от действия изгибающих моментов полуоси условно делят на полуразгруженные, разгруженные на три четверти и полностью разгруженные.
Рис. 4.31. Схемы подшипниковых узлов с полуосями:
а — полуразгруженная полуось; б — разгруженная на три четверти полуось; в — полностью разгруженная полуось; а — расстояние между опорами полуоси; b — плечо действия вертикальной и продольной сил; rд — динамический радиус качения колеса; Рх — продольная сила; Pγ — поперечная сила; Z — вертикальная сила
Полуразгруженная полуось (см. рис. 4.31, а) опирается непосредственно на установленный в балке моста подшипник и работает на изгиб под действием сил Z, Рхи Pγ. При этом изгибающие моменты сил Z и Рх незначительны, так как плечо b выбирают минимальным, а изгибающий момент поперечной силы Pγ может достигать значительной величины, так как плечо равно динамическому радиусу качения колеса rД. По такой схеме выполняют полуоси легковых автомобилей.
Разгруженная на три четверти полуось (рис. 4.31, б) конструктивно отличается от первой тем, что ведущее колесо опирается одновременно на полуось и на балку моста через один подшипник, поэтому полуось работает на изгиб лишь от поперечной силы Pγ. Изгибающие моменты от сил Z и Рх воспринимаются балкой моста. Эта схема применяется редко.
Полностью разгруженная полуось (рис. 4.31, в) обычно применяется в грузовых автомобилях. Ведущее колесо через подшипниковый узел опирается непосредственно на балку моста. Благодаря тому, что подшипники несколько разнесены, изгибающие моменты сил Z, Рхи Ру взаимодействия колеса с дорогой воспринимаются балкой моста, не нагружая полуось, которая работает только на кручение.
Особенность переднего ведущего моста автомобилей высокой проходимости состоит в том, что его передние колеса одновременно являются ведущими и управляемыми. Вследствие этого в ведущий мост вводятся дополнительные устройства, которые дают возможность передавать момент на управляемые колеса при их повороте.
Главная передача и дифференциал имеют такую же конструкцию, как главная передача и дифференциал заднего ведущего моста.
На рис. 4.32 показана конструкция привода переднего ведущего колеса. Шарнир 8 равных угловых скоростей передает равномерное вращение с полуоси 6 на приводной вал 18 колеса при его повороте относительно осей 3 шаровой опоры 7.
Рис. 4.32. Привод переднего ведущего управляемого колеса:
1 — колесо; 2 — манжеты; 3 — ось; 4 — поворотный рычаг; 5 — втулка; 6 — полуось; 7— шаровая опора; 8 — шарнир равных угловых скоростей; 9 — цапфа; 10 — тормоз; 11 — ведущий фланец; 12 — крышка фланца со штуцером; 13, 14 — гайки подшипников; 15—стопорная шайба; 16— подножка; 17—ступица; 18 — приводной вал; 19 — воздушный кран; А — канал для подвода воздуха в колеса