Кинематические и силовые связи в дифференциалах

Дифференциалы, применяемые на автомобилях, в подавляющем большинстве представляют собой планетарные механизмы с двумя степенями свободы. Их основными элементами (имеющими неподвижные оси вращения) являются три звена: водило, жестко соединенное с ведомым колесом главной передачи, и две полуосевые шестерни, связанные с полуосями.

Поэтому кинематические связи в дифференциале описываются уравнением кинематики трехзвенного планетарного механизма, связывающим между собой частоты вращения всех звеньев. Для дифференциала, схема которого приведена на рис. 6.13, а, это уравнение имеет вид:

n1 + k n2 – (1 + k) nв = 0 ,( 6.10 )

где n1 и n2– частоты вращения полуосевых (солнечных) шестерен дифференциала;nВ– частота вращения корпуса дифференциала (водила);k– характеристика планетарного ряда. У симметричных дифференциалов – k = 1, т.к. Z2=Z1.

Тогдаn1 + n2 = 2nвили nв = 0,5 (n1 + n2),т.е. для имеющейся частоты вращения корпуса дифференциала при изменении частоты вращения одной полуосевой шестерни (например, n1) автоматически изменится частота вращения второй полуосевой шестерни (n2). При притормаживании одной из полуосевых шестерен начнет проворачиваться сателлит и увеличится частота вращения второй полуосевой шестерни.

Таким образом, дифференциал позволяет правым и левым колесам автомобиля вращаться с разными угловыми скоростями при его движении на поворотах и по неровностям опорной поверхности дороги. Однако частоты вращения колес кинематически связаны между собой.

Уравнение кинематики для несимметричного цилиндрического дифференциала, схема которого приведена на рис. 6.13, б, имеет следующий вид:

nа + k nС – (1 + k) nв = 0 ,( 6.11 )

где nа и nС– частоты вращения, соответственно солнечной и эпициклической шестерен дифференциала.

Силовые связи в дифференциале определяют соотношение моментов между звеньями. Для любых схем простых симметричных дифференциалов, пренебрегая внутренними потерями на трение, момент, подводимый к корпусу дифференциалаМдиф, распределяется поровну между полуосями:

Мдиф = М1 + М2иМ1 = М2 = Мдиф / 2( 6.12 )

В простом несимметричном цилиндрическом дифференциале (см. рис. 6.13, б) к эпициклической шестерне подводится больший крутящий момент (МС), чем к солнечной (Ма): МС = Ма · k.

Момент, подводимый к корпусу дифференциала Мдиф = Ма + МС,тогда Ма = Мдиф / (1 + k) и МС = Мдиф · k / (1 + k).

Свойство дифференциала делить подводимый к его корпусу крутящий момент в определенной пропорции между ведомыми валами приводит к снижению силы тяги на колесах автомобиля и ухудшению его проходимости. Например, если одно из колес попало на поверхность с небольшим коэффициентом сцепления φmin = 0,1(лед), а другое – на поверхность с φmax = 0,8(сухой бетон), то при дифференциальном приводе крутящий момент на ведущих колесах автомобиля будет МК = 2 GК φmin rК = 0,2 GК rК . Это связано с тем, чтоМК1 = GК φmin rК = 0,1 GК rКи МК2 = МК1.

Величины момента МК может оказаться недостаточно для преодоления сопротивления движению автомобиля, и он будет стоять на месте с вращающимся на льду одним колесом и неподвижным вторым.

Если же заблокировать дифференциал, то каждое колесо сможет реализовать свои возможности по сцеплению с опорной поверхностью и суммарный крутящий момент на ведущих колесах автомобиля будет

МК^б = GК φmin rК + GК φmax rК = GК rК (φmin + φmax) = 0,9 GК rК .

Для осуществления принудительной блокировки дифференциала необходимо соединить между собой его корпус и одну из полуосевых шестерен. На схеме, представленной на рис. 6.14, блокировка дифференциала осуществляется с помощью зубчатой муфты 4, соединяющей между собой корпус 2 дифференциала и полуосевую шестерню 3. Недостатком этого способа является невозможность блокировки дифференциала при движении автомобиля.

Необходимо отметить, что принудительной блокировкой дифференциала допускается пользоваться только кратковременно в условиях бездорожья. В нормальных условиях эксплуатации движение автомобиля с заблокированным дифференциалом приводит к интенсивному изнашиванию шин, а в некоторых случаях, к потере управляемости автомобиля.

Рис. 6.14. Способ блокировки межколесного дифференциала с помощью зубчатой муфты

Однако имеется другой способ повышения тяговых свойств автомобиля, а именно, изменение силового передаточного числа дифференциала М2 / М1 путем введения дополнительных сил трения таким образом, чтобы крутящий момент на «отстающем» колесе (с большим коэффициентом сцепления) увеличивался, а на «забегающем» (с меньшим коэффициентом сцепления) – уменьшался.