Дифференциалы колесных машин

Условия движения колесной машины предопределяют неравные угловые скорости ее колес, по причине неодинаковых путей, проходимых колесами, из-за разной кривизны следа колес, как в горизонтальном, так и в вертикальном направлении, разного размера радиуса качения колес (допуски, износ, давление в шинах, неравномерная нагрузка). Неравномерность угловых скоростей ведомых колес компенсируется их независимой посадкой на оси вращения, а ведущих колес применением межколесных и межосевых дифференциалов. Привод колес представляет собой механизм с одной степенью свободы. Для машин с двумя ведущими колесами необходим 1 дифференциал, для машин с полностью дифференцированным приводом при одном ТЭД число необходимых дифференциалов должно быть на один меньше числа ведущих колес. При дифференциальном приводе число двигателей и дифференциалов соответствует числу ведущих колес. При одном двигателе привод представляет собой систему с числом степеней свободы равным числу колес. При дифференциальном приводе не существует определенной зависимости между угловыми скоростями отдельных колес, а также между угловой скоростью любого колеса. Строгая зависимость существует только между угловой скоростью вала тягового двигателя, а точнее угловой скоростью корпуса дифференциала и суммой угловых скоростей всех ведущих колес.

,

где , постоянные коэффициенты, определяемые передаточным числом привода,

угловые скорости забегающего и отстающего колес i – го моста при движении по дороге любой кривизны,

угловая скорость корпуса дифференциала.

Если дифференциалы симметричные и шины одной модели, то

,

где передаточное число трансмиссии от ТЭД до колес.

Дифференциал является планетарным механизмом с двумя степенями свободы. Его три основных звена сопряжены с вешним механизмом. Подводимая к дифференциалу мощность распределена между двумя звеньями механизма, которые связаны с выходными валами. При заданной угловой скорости корпуса дифференциала угловые скорости двух выходных валов могут принимать разные значения. Однако существует определенная зависимость между угловыми скоростями трех звеньев механизма. Дифференциалы, применяемые в трехзвенных механизмах, подразделяют на группы:

– межколесные,

– межосевые,

– межтележочные,

– межбортовые,

по конструкции зубчатых колес:

– конические,

– цилиндрические,

по кинематическому передаточному числу:

– симметричные,

– несимметричные.

Особую группу представляют самоблокирующие дифференциалы. Дифференциал, распределяющий крутящий момент между выходными валами поровну, называют симметричным. Дифференциал, распределяющий крутящий момент не поровну, называется несимметричным. У несимметричных дифференциалов отношение крутящих моментов определяется передаточным числом дифференциала. Указанное распределение крутящих моментов для симметричных и несимметричных дифференциалов рассматривается без учетов сил трения. В межколесном приводе машин применяют только симметричные дифференциалы. Это объясняется тем, что расчетные нормальные нагрузки двух колес равны между собой. Однако в некоторых специальных самоходных машинах нормальная нагрузка неодинакова по величине. В этом случае принимают несимметричные дифференциалы (конические). По кинематическим характеристикам представляет собой частный случай несимметричного. Кинематическая схема несимметричного дифференциала выполняется аналогично симметричному. Причем конические зубчатые колеса имеют разные размеры. В цилиндрическом несимметричном дифференциале сателлиты и солнечная шестерня одного вала имеют наружное зацепление, а сателлиты и эпициклическое колесо второго вала – внутреннее зацепление. В несимметричных дифференциалах отношение чисел зубьев эпициклического колеса и солнечной шестерни называют внутренним передаточным числом трехзвенного механизма.

Рисунок 21. Схемы симметричных дифференциалов:

а) конический,

б) цилиндрический

Рисунок 22. Схемы несимметричных дифференциалов:

в) конический,

г) цилиндрический

В общем случае при движении машины три основных звена вращаются в одном направлении с разными скоростями.

При ,

где угловые скорости забегающего, отстающего звеньев и корпуса дифференциала.

В симметричных дифференциалах с коническими или цилиндрическими колесами внутреннее трение мало и они распределяют крутящий момент поровну. Если сцепные качества одного колеса низкие, т.е. , а другого высокие, где , тогда на дифференциальном приводе максимальная сила тяги

> ,

где минимальный коэффициент сцепления,

сцепной вес.

Если заблокировать полуоси, чтобы ведущие колеса работали совместно, максимальная сила тяги увеличится за счет использования силы тяги другого колеса, имеющего более высокий сцепки, т.е. при блокированном приводе

.

Максимальное тяговое усилие увеличивается в 4,5 раза. Блокировка для обеспечения высоких тяговых усилий обеспечивается с помощью муфт в необходимых условиях, затем эти муфты отключаются. Самоблокирующие дифференциалы имеют повышенное внутреннее трение. При применении такого дифференциала моменты на валах привода ведущих колес неодинаковы. Их соотношение зависит от момента внутреннего трения механизма. Для выбора коэффициента блокировки необходимо определить КПД дифференциала при относительном вращении полуосей

.

Относительное вращение полуосей возникает при повороте машины, тогда имеет меньшее значение, а большее значение.

Величину, обратную , называют коэффициентом блокировки дифференциала

.

Чем ниже , тем выше .

Дифференциал с повышенным внутренним трением при забегании или пробуксовке одного колеса вызывает повышение тягового усилия в раз. При проектировании не следует выбирать . должен быть . Исследование и практика показали, что для 80% случаев достаточно иметь , для 94% случаев , для 92% случаев

В современных конструкциях дифференциалов принимают Это сделано на основе выполненных измерений.

Разработана схема использования сцепления колес с опорной поверхностью.

Рисунок 23. Схема определения вероятности использования сцепления колес с опорной поверхностью

коэффициент сцепления левого колеса,

коэффициент сцепления правого колеса.

Предполагаем, что и изменяются от 0,2 (лед) до 0,8 (сухой асфальт).

Область ABCD является областью дорожных условий, ограниченных прямыми , и , . С уменьшением область возможности полного использования сцепления уменьшается. Прямые из т.О OF и OG ограничивают эту область, тогда вероятность полного использования сцепления будет выражаться отношением площадей

.

Дифференциалы, применяемые в автотранспортных средствах, имеют чаще всего 4 сателлита. Другие транспортные средства имеют дифференциалы с 2 сателлитами, менее грузоподъемными. Отношение числа зубьев полуосевого зубчатого колеса для большинства дифференциалов с 4 сателлитами составляет . Могут использоваться другие числа при соблюдении условия собираемости.

,

где целое число,

число сателлитов.

В этом случае колебаний суммарных сил не будет. Внешний модуль определяют из условия прочности

,

где число зубьев сателлита,

расчетный момент по сцеплению ведущих колес с дорогой на корпусе дифференциала,

передаточное число.

При расчете определяют параметры зубчатого венца

,

,

где внешнее конусное расстояние,

.

Параметры исходного контура принимаются по ГОСТ 13754-81: . Коэффициенты смещения принимаются равными по модулю, но с разными знаками, положительный для сателлита и отрицательный для полуосевого зубчатого колеса. При исходном контуре по ГОСТ 13754-81 смещение равно

.

Для нулевых передач можно изменять толщину зуба, ослабляя более прочный и наоборот. Коэффициент изменения толщины зуба

.