Какое свойство дифференциала отрицательно влияет на проходимость автомобиля

Из библии джипера “ПОМОЩЬ СТРОИТЕЛЯМ БАМ В. Б. ЛАВРЕНТЬЕВ ВОЖДЕНИЕ АВТОМОБИЛЕЙ ВЫСОКОЙ ПРОХОДИМОСТИ МОСКВА <ТРАНСПОРТ> 1974”

https://www.roft.ru/index.php?subaction= … 1224503714

—–
Влияние дифференциала на проходимость. Одним из важнейших элементов конструкции автомобиля, влияющих на его проходимость, является дифференциал. Этот механизм, без которого автомобиль на твердых дорогах был бы неуправляем, а шины его изнашивались бы в несколько раз быстрее, в условиях бездорожья является в большинстве случаев причиной застревания автомобиля.

Обычный конический дифференциал, применяемый на автомобилях высокой проходимости массового производства, устроен так, что силы тяги правого и левого колес ведущего моста, всегда равны между собой. Так как величина тяги, передаваемая колесом, зависит от его сцепления с грунтом, то при попадании одного из колес на участок грунта с низким сцеплением, например на лед, смежное колесо, находящееся на грунте с высоким коэффициентом сцепления, например на асфальте, будет передавать такую же низкую тягу, как и находящееся на льду.

Разница в моментах сопротивления вращению у колес, стоящих на скользком и сухом грунте, приводит к тому, что частота вращения колеса, находящегося на скользком грунте, возрастает, а на противоположном колесе падает, при этом буксующее колесо закапывается в грунт, а находящееся на сухом останавливается.

Аналогичный эффект получается при движении автомобиля по бездорожью со значительным креном. В этом случае нагрузка на колеса перераспределяется. Колеса того борта, на который накренился автомобиль, догружаются, а противоположные разгружаются. В таком положении тяга, развиваемая колесами догруженного борта падает, и величина ее определяется величиной тяги колес разгруженного борта. Как уже говорилось ранее, движение автомобиля по бездорожью возможно тогда, когда силы тяги, развиваемые колесами, превышают силы сопротивления движению. В условиях движения по бездорожью часто это превышение бывает невелико. Поэтому при возникновении крена и падении тяги на колесах из-за действия дифференциала при сохранении высокого уровня сопротивления движению положительная разница в этих силах может пропасть, что приведет к остановке и застреванию автомобиля.

При движении по бездорожью возможны случаи, когда имеет место не только разница в сцеплении колес с грунтом, но и полное вывешивание одного из колес. Естественно, тяга, развиваемая смежным колесом, в этом случае равна нулю. Для уменьшения отрицательного влияния дифференциала па проходимость автомобиля необходимо сделать как можно меньшей разницу в нагрузках, приходящихся на колеса. С этой целью, например, на трехосных автомобилях применяется балансирная подвеска задних осей, которая несколько снижает неравномерность нагрузок и уменьшает склонность к буксованию при движении автомобиля по неровной поверхности. Однако при боковом крене автомобиля балансирная подвеска не помогает. Поэтому при движении в условиях бездорожья преодолевать неровные участки следует по таким направлениям, на которых крен был бы минимальным.

У автомобиля Урал-375 передний мост постоянно включен и связан с задней тележкой через специальный дифференциал, находящийся в раздаточной коробке. Этот дифференциал устроен таким образом, что к передним колесам передается 1/3 общего крутящего момента, а к задней тележке 2/3. При попадании колес переднего моста на грунт с низким коэффициентом сцепления тяга, развиваемая колесами задней тележки, будет определяться удвоенной величиной тяги передних, что может быть совершенно недостаточно для движения. Поэтому межмостовой дифференциал при движении по бездорожью должен быть обязательно заблокирован. Включать блокировку необходимо не тогда, когда автомобиль уже буксует, а перед въездом на труднопроходимый участок.

На двухосном автомобиле ГАЗ-66 для повышения проходимости вместо обычных конических дифференциалов применены дифференциалы повышенного трения плунжерно-кулачкового типа. Конструкция этого дифференциала широко известна.

Такие дифференциалы позволяют получить на колесе, имеющем лучшее сцепление, не такую же тягу, как на буксующем, а большую на величину дополнительного трения, возникающего в дифференциале. Величина, показывающая, во сколько раз тяга на колесе, имеющем лучшие условия сцепления, выше, чем тяга, развиваемая смежным буксующим колесом, называется коэффициентом блокировки дифференциала. Для дифференциала ГАЗ-66 он равен 3-4.

Рассмотрим работу обычного дифференциала и дифференциала повышенного трения (рис.13) и сравним их работу при одинаковых вертикальных нагрузках на колеса ведущей оси в трех рассматриваемых случаях.

Случай 1. Сцепление правого и левого колес с грунтом одинаково (рис. 13, а). Тяга, развиваемая правым и левым колесами, одинакова и составляет 1000 кгс. Суммарная тяга, развиваемая ведущей осью, равна 2000 кгс.

Случай 2. Сцепление правого колеса осталось прежним, а у левого колеса сцепление с грунтом уменьшилось и составляет 33% от первоначального (рис. 3, б), а поэтому тяга, развиваемая им, составляет всего около 300 кгс. Так как тяга, развиваемая правым колесом, определяется величиной тяги левого, из-за выравнивающего действия дифференциала, ее величина составит также 300 кгс.

Суммарная тяга, развиваемая ведущей осью, составит всего 600 кгс.

Случай 3 показывает, как будет работать в условиях, рассмотренных во втором случае, дифференциал повышенного трения с коэффициентом блокировки К=3 (рис.13,в). В этом случае тяга, развиваемая правым колесом, будет определяться величиной тяги, развиваемой левым колесом (находящимся на скользком грунте), умноженной на коэффициент блокировки, т. е. 300х3 = 900 кгс.

Рис. 13. Схема работы ведущего моста автомобиля с обычным дифференциалом и кулачковым дифференциалом повышенного трения

Суммарная тяга, развиваемая ведущей осью, будет уже составлять не 600, а 300+900=1200 кгс, т. е. дифференциал повышенного трения в рассмотренном случае увеличил суммарную тягу, развиваемую ведущей осью, в 2 раза.

    Особенностью работы широко распространенного простого конического дифференциала является равенство крутящих моментов на полуосях, соединяющих дифференциал и колеса автомобиля. Если одно из колес, буксует, крутящий момент на противоположном колесе практически такой же, какой на буксующем колесе. Из-за этого сила тяги будет в несколько раз меньше и её не хватает  для движения автомобиля. Так же влияет простой конический дифференциал, если он установлен между ведущими мостами автомобиля.        

Снижение силы тяги можно избежать, если дифференциал выключить (заблокировать), как это сделано, например, в дифферециале автомобиля ЗИЛ-4331 (рис. 121).

Рис. 121. Главная передача с блокируемым дифференциалом грузового автомобиля ЗИЛ-4331:

 6 -шток муфты блокировки дифференциала; 7-включатель сигнализатора блокировки; 8 -корпус камеры механизма бло­кировки; 9-мембрана; 10 -вилка включения блокировки; 11-муфта блокировки дифференциала; 12 -регулировочная гайка подшипника дифференциала; 13 -зубчатое колесо полуоси; 14-крестовина сателлитов.

После блокирования дифференциала крутящий момент на небуксующем колесе увеличится, сила тяги возрастёт и автомобиль получает возможность двигаться в тех местах, где без блокирования дифференциала движение не происходило.

В задних мостах тягачей КЗКТ применяется самоблокирующийся дифференциал  (рис. 122),  работающий по принципу муфты свободного хода. При движении на повороте внешнее колесо дифференциалом отсоединяется и катится свободно, на скользкой дороге буксование одного из колес моста невозможно.     

   Крутящий момент от ведомой конической шестерни 1 передается через корпус 3 дифференциала на ведущую муфту 4. которая имеет ряд прямоугольных зубьев, расположен­ных на обоих торцах одни против других. С помощью этих зубьев крутящий момент от ведущей муфты передается на две полумуфты 5, на торце которых имеется по два ряда зубьев –  наружный и внутренний.

Рис. 122. Межколесный дифференциал задних

мостов тягачей КЗКТ:

/ — ведомая коническая шестерня; 2— шпонка; 3 — корпус дифференциала; 4 — ве­дущая муфта; 5 — полумуфта; 6—полуосевая шестерня; 7 — пружина; 8 — стакан пружины; 9—разрезное распорное кольцо; 10 — стопорное кольцо; 11 —центральное кольцо; 12 — дистанционная втулка

     Наружный ряд зубьев полумуфты 5 передают крутящий момент на полуосевые шестерни 6. Зубья этого ряда прямоугольной формы. Внутренний ряд зубьев полумуфты 5 служат для отключения полумуфты от ведущей муфты 4, они имеют специаль­ный профиль. На наружной цилиндрической части внутреннего ряда зубьев полумуфты установлено разрезное кольцо 9, обеспечивающее бес­шумную работу дифференциала. От каждой полумуфты крутящий момент через эвольвентные шлицы передается на полуосевую шестерню 6 и карданный вал привода колеса автомобиля. Внутри ведущей муфты установ­лено центральное кольцо 11, которое удерживается от осевого перемещения стопорным кольцом 10.

На обоих торцах центрального кольца 11 имеются расположенные одни против других зубья специального профиля. Во впадины между этими зубьями входят зубья внутреннего ряда полумуфт 5, а также зубья разрезных колец. Взаи­модействие наклонных боковых поверхностей  зубьев центрального кольца и зубьев полумуфты на повороте выводит из зацепления зубья полумуфты с зубьями ведущей муф­той. Шпонка 2, установленная в ведущей муфте, препятствует про­ворачиванию разрезного кольца 9, которое удерживает полумуф­ту в отключенном положении и не допускает щелкание зубьев.

Спиральными пружинами 7 через стаканы 8 полумуфты 5 поджимаются к ведущей муфте 4. Между по­луосевыми шестернями установлена дистанционная втулка 12, предохраняющая от смещения полуосевые шестерни при установке полуосей.

При движении автомобиля по прямой ровной дороге диффе­ренциал не работает: заблокированы все детали дифференциала и полуоси вращаются как одно целое со скоростью ведомой кони­ческой шестерни.

При движении по бездорожью вращение колес од­ного моста с различными скоростями  исключено, оба колеса принудительно вращаются с одинаковыми оборотами, чем увеличивается общая тяга и улуч­шается проходимость автомобиля.

При движении автомобиля на повороте забегающее колесо вра­щает полумуфту 5 быстрее, чем вращается  ведущая муфта 4. Зубья полумуфты 5, воздействуя своими наклонными боковыыми поверхностями  на зубья центрального кольца 11 выводят полумуфту 5 из зацепления с ведущей муф­той 4. Полумуфта забегающего колеса отходит от ведущей муфты и привод на забегающее колесо овыключается. На­ходящееся на полумуфте разрезное стопорное кольцо 9 вращается вместе с ней до тех пор, пока не упрется краем выреза в шпонку, установленную в ведущей муфте 4,  торцы зубьев разрезного распорного кольца 9 уста­новятся напротив торцов зубьев центрального кольца и будут удер­живать полумуфту от включения. На протяжении всего поворота забегающая полумуфта будет выключена, крутящий момент передается только на отстающее колесо.

При повороте на скользких дорогах полумуфта забегающего колеса может не отключаться. Поворот при этом происходит вслед­ствие проскальзывания отстающего колеса.

При выходе автомобиля из поворота скорости вращения забе­гающей и отстающей полумуфт выравнивается. Разрезное распорное кольцо 9 при этом несколько отхо­дит назад, торцы его зубьев смещаются относительно торцев  зубьев центрального кольца и полу­муфта под действием сжатой пружины 7 входит в зацепление с ве­дущей муфтой 4.

При движении автомобиля по инерции с поворотом отключаться будет не забегающая муфта, а отстающая, так как в этом случае ведущим элементом будет не корпус дифференциа­ла, а забегающее колесо. При движении автомобиля назад по прямой дифференциал работает так же, как и при движении вперед, но в этом случае прижаты противоположные боковые стороны ведущих зубьев ве­дущей муфты и полумуфты. Работа дифференциала на поворотах при движении автомобиля назад не отличается от работы дифференциала на поворотах при движении вперед.

На рис. 123 показан межколесный дифференциал тягачей КЗКТ с опорными шайбамами большого размера, увеличивающими момент трения диффернциала.

Рис. 123. Межколесный дифференциал передних мостов тягачей КЗКТ:

/ — ведомая коническая шестерня; 2 — опорная шайба; 3 — сателлит; 4 — крестовина; 5 — вкладыш; 6 — полуосевая шестерня; 7 — пружина; 8 — корпус дифференциала

На рис. 124 показан дифференциал повышенного трения автомобиля ГАЗ-66 с двумя рядами кулачков. 

            б)                              в) 

                 а)

Рис. 124. Кулачковый дифференциал повышенного трения автомобиля ГАЗ-66:

а – кулачковый дифференциал в сборе с  ведомой шестерней главной передачи; б и в  – разрезы по рядам кулачков  

   Дифференциалами повышенного трения с фрикционными дисками показан на рис. 125.

Рис. 125. Дифференциалы повышенного трения с фрикционными дисками

     Для характеристики частичного блокирования дифференциала используется параметр, называемый коэффициентом блокирования – Кбл, который выражается отношением крутящих моментов:      

                                                    Кбл = ,                                             (84)

где Тт  – крутящий момент трения в дифференциале; Тк – крутящий момент на корпусе дифференциала.

    Коэффициент блокирования может изменяться от 0 до 1 .

Тт = Тотс  – Тзаб ,

где Тотс  – крутящий момент на отстающей (небуксующей) полуоси; Тзаб  – крутящий момент на забегающей (буксующей) полуоси.

Тк  = Тотс  + Тзаб.

Крутящие моменты на полуосях определяются :

                                                Тотс  =  × ( 1 + Кбл );                                 (85)

                                                 Тзаб =  × ( 1 – Кбл ).                                 (86)

     Необходимое значение коэффициента блокирования дифференциала, при котором двухосный автомобиль может двигаться по дороге с подъемом, при условии, что одно из ведущих колес автомобиля попало на скользскую поверхность можно апределить следующим образом. Для движения необходимо чтобы сила тяги на ведущих колесах была равна силе сопротивления движению автомобиля, т.е.  приведенный к корпусу дифференциала момент сопротивления Тс , должен быть равен движущему моменту Тк , который складывается из моментов на буксующем (забегающем –Тзаб) и небуксующем (отстающем –Тотс) колесах. Разница в моментах Тотс и Тзаб равна моменту трения в дифференциале – Тт :    

Тотс – Тзаб = Тт и Тотс = Тзаб + Тт

Тк = Тс =  Тотс + Тзаб ,  

. Подставив   выражение для Тотс, запишем

Тс = 2Тзаб + Тт   или Тт = Тс – 2Тзаб .

Отсюда

                            Кбл =  =  = ,                      (87)

где Рс – сила сопротивления движению автомобиля; Рзаб – сила сцепления колеса, находящегося на скользской поверхности.

    Аналогично может быть определен необходимый коэффициент блокирования межосевого дифференциала, если колеса одного из мостов находятся на скользкой поверхности и дифференциал блокируемый.

   На современных полноприводных легковых автомобилях применяется электронная сисема управления работой дифференциала, где путем подтормаживания буксующих колес крутящеий момент передается на небуксующие колеса.

     В трансмис­сии автомобилей с приводом на все колеса применяется также многорежимная эле­ктронно-управляемая межосевая муфта  On demand 4WD, которая позволяет водителю выби­рать режим работы в зависимос­ти от состояния дорожного по­лотна и условий движения. Пере­ключателем  осуществляется выбор варианта работы: 2 WD –  режим высокой экономичности, при котором крутящий момент передается только на передние колеса автомобиля, средний расход не пре­вышает обычный для переднеприводного автообиля.   В режиме 4WD управ­ляющая электроника On demand 4WD распределяет крутящий мо­мент между передней и задней осями в зависимости от дорож­ных условий. При пробуксовке колес той или иной оси система мгновенно перебросит необходимый мо­мент на разгруженное колесо, обеспечивая тем самым большую стабильность и управляемость на скользкой дороге. Совокупная работа транс­миссии в режиме 4WD и системы курсовой стабилизации позволя­ет уверенно вести автомобиль по залитым водой колеям, останавливая заносы передней оси.   В режиме Lock межосе­вая муфта жестко заблокирована, чем обеспечивается  привод всех колес.