ДИФФЕРЕНЦИАЛ ПОВЫШЕННОГО ТРЕНИЯ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 1997 года по МПК F16H48/20 

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в качестве дифференциала повышенного трения внедорожных многоприводных автомобилей и тракторов.

Известен дифференциал повышенного трения, содержащий корпус, полуоси, на которых установлены полуосевые шестерни, сателлиты, размещенные на крестовине корпуса и находящиеся в зацеплении с полуосевыми шестернями. Комплект ведущих дисков связан с корпусом, а комплект ведомых дисков установлен на ступицах полуосевых шестерен. На каждой полуоси между торцами ступиц полуосевых шестерен и корпусом установлены тарельчатые пружины Бельвилля (1).

Этому дифференциалу присущи следующие недостатки.

Дифференциал по замыслу его авторов должен обладать характеристикой 1, показанной на фиг. 1 (М_o момент на корпусе дифференциала, М_r - момент трения в дифференциале). Однако в действительности он не обеспечивает эту характеристику. Это объясняется тем, что установленные с предварительным сжатием тарельчатые пружины, воздействуя на полуосевые шестерни, прижимают их к кольцевым упорам на крестовине. В результате, как показывают расчеты, в контакте полуосевых шестерен и крестовины может возникать момент трения M_r до 300 Н•м, при этом дифференциал обладает характеристикой блокирующих свойств, показанной на фиг. 2.

Если же в этом дифференциале установить пружины без предварительного сжатия, то дифференциал также не будет обладать характеристикой I на фиг.1, поскольку осевые силы зацепления сразу же при подведении к корпусу крутящего момента начнут сжимать диски и дифференциал будет иметь характеристику II, показанную на фиг.1.

В результате предварительного сжатия пружин имеет место трение полуосевых шестерен о кольцевые упоры на крестовине, что ведет к износу этих упоров и уменьшению зазоров в конических зацеплениях, что отрицательно сказывается на работоспособности дифференциала. При этом также (вследствие износов упоров и перемещения полуосевых шестерен в сторону сателлитов) уменьшается деформация тарельчатых пружин, а значит, и сила их сжатия. Это изменяет характеристику блокирующих свойств дифференциала.

Тарельчатые пружины опираются на корпус дифференциала и полуосевые шестерни, которые при дифференциальном эффекте совершают относительное вращение. Это ведет к скольжению тарельчатых пружин относительно своих опорных поверхностей, что вследствие малой опорной площади тарельчатых пружин вызывает износ деталей (кольцевую выработку). Последнее снижает величину деформации пружин, а значит, и силу их сжатия. В результате изменяется характеристика блокирующих свойств дифференциала.

Усилия тарельчатых пружин, сжимающих дисковые муфты, создаются при последовательной сборке всех деталей дифференциала, что ведет к зависимости усилий пружин от точного выполнения большого количества размеров различных деталей. В случае неточного их исполнения реальные блокирующие свойства дифференциала не будут соответствовать расчетным, т.е. нарушится стабильность и симметричность блокирующих свойств дифференциала. При этом также не представляется возможным контролировать усилия упругих элементов как в процессе сборки, так и после нее. Кроме того, необходимо отметить, что упругий элемент такого типа (тарельчатая пружина), как правило, в производстве получают штамповкой, которая не всегда обеспечивает толщину пружины с требуемым допуском. Изготовление пружины в соответствии с заданным размером ведет к увеличению трудоемкости изготовления дифференциала. На стабильности и симметричности блокирующих свойств сказывается и то, что тарельчатая пружина, используемая для получения значительно больших усилий, имеет крутую характеристику зависимости усилия от деформации. Поэтому допуски на изготовление других деталей дифференциала будут очень сильно сказываться на изменении характеристики блокирующих свойств. Последнее ведет к существенным колебаниям величины момента Mно

(фиг.1) на корпусе дифференциала, начиная с которого появляются блокирующие свойства, делая их несимметричными и нестабильными.

Изложенное выше показывает, что при таком конструктивном исполнении дифференциала имеет место существенное изменение реальных характеристик блокирующих свойств против их расчетных (фиг.1 и 2) из-за изменения начальных моментов Myо

и Myr.

Для расширения эксплуатационных возможностей дифференциала и получения в известной конструкции аналога различных моментов Mнiо

появления блокирующих свойств (фиг.3 заявляемого дифференциала) необходимо использовать для каждого случая новый типоразмер упругого элемента, т.е. при необходимости расширения эксплуатационных возможностей дифференциала и получения семейства характеристик (фиг. 3 и 4) блокирующих свойств требуется увеличение количества типоразмеров тарельчатых пружин, что повышает трудоемкость.

В случае повышенной толщины пакета дисков из-за нарушения допусков на толщину отдельных дисков или нарушения допусков на обработку кольцевых упоров полуосевых шестерен и крестовины дифференциал невозможно собрать, т.е. при этом невозможно стянуть болтами левую и правую чашки его корпуса.

Для создания сил, сжимающих дисковые муфты, используются только осевые составляющие усилий конического зацепления. В результате дифференциал обладает недостаточными блокирующими свойствами: его коэффициент блокировки равен 2 при транспортировке машиной тяжелых грузов (патент США 392036, MКИ F 16 h 1/44, кл. F 16 d 13/04). Это не обеспечивает высокой проходимости машины. На основании имеющихся в литературе данных и результатов опыта разработки и эксплуатации дифференциалов повышенного трения считается, что применение дифференциалов с коэффициентами блокировки, равными 2,5-4, как с точки зрения высокой проходимости, так и с точки зрения удовлетворительной поворачиваемости машин является наиболее рациональным (2).

Известен также дифференциал повышенного трения, содержащий корпус, крестовину с сателлитами, выходные полуосевые валы и связанные с ними торцовыми кулачками полуосевые шестерни, находящиеся в зацеплении с коническими сателлитами. Между корпусом и полуосевыми шестернями расположены фрикционные дисковые муфты, ведущие диски которых связаны с корпусом, а ведомые с полуосевыми шестернями (3).

Введение в дифференциале прототипе дополнительных блокирующих устройств трапецеидальных нажимных кулачков позволяет значительно увеличить силы, сжимающие дисковые муфты, и тем самым повысить блокирующие свойства дифференциала, т.е. его эффективность, поскольку это повышает проходимость машины. В разработанной и изготовленной по такой схеме конструкции дифференциала коэффициент блокировки составил 4,4.

Недостатком конструкции этого дифференциала является то, что он обеспечивает возможность получения только характеристики блокирующих свойств II, показанной на фиг.1. Последнее достигается тем, что с появлением и возрастанием крутящего момента на корпусе дифференциала повышенного трения появляются и увеличиваются осевые силы конического зацепления и осевые силы трапецеидальных кулачков, которые сжимают дисковые муфты, увеличивая в них момент трения. В дифференциале прототипе не обеспечивается характеристика I, показанная на фиг. 1, при которой момент трения дифференциала возрастает при увеличении крутящего момента M_o на его корпусе только после достижения последним некоторого порогового значения.

Отметим, что дифференциал повышенного трения с характеристикой блокирующих свойств I в сравнении с дифференциалом с характеристикой II обладает повышенной долговечностью, так как в данном случае уменьшается момент трения при малых вращающих моментах.

Предлагаемое изобретение направлено на решение задачи по созданию конструкции дифференциала повышенного трения с улучшенными блокирующими свойствами, повышенной долговечностью и расширенными эксплуатационными возможностями.

Решение поставленной задачи по первому варианту достигается тем, что в дифференциале повышенного трения, содержащем корпус, крестовину с коническими сателлитами, выходные полуосевые валы, установленными на них с возможностью осевых перемещений и связанные с ними торцовыми кулачками полуосевые шестерни, находящиеся в зацеплении с сателлитами, и расположенные между корпусом и полуосевыми шестернями фрикционные дисковые муфты, ведущие диски которых связаны с корпусом, а ведомые с полуосевыми шестернями, в корпусе дифференциала выполнены расточки, в которых расположены упругие пружинные пакеты, выполненные в виде комплекта предварительно сжатых упругих элементов, установленных в стаканах с продольными пазами в стенках, размещенных в упомянутых расточках корпуса, и опирающихся на дно стаканов и подвижные диски, снабженные выступами, посредством которых они установлены в пазах стаканов, и зафиксированные в стаканах стопорными кольцами, при этом подвижные диски опираются на полуосевые шестерни, а в каждой из фрикционных дисковых муфт диски расположены с зазором относительно друг друга.

Решение поставленной задачи по второму варианту достигается тем, что в дифференциале повышенного трения, содержащем корпус, крестовину с коническими сателлитами, выходные полуосевые валы, установленные на них с возможностью осевых перемещений и связанные с ними торцовыми кулачками полуосевые шестерни, находящиеся в зацеплении с сателлитами, и расположенные между корпусом и полуосевыми шестернями фрикционные дисковые муфты, ведущие диски которых связаны с корпусом, а ведомые с полуосевыми шестернями, в корпусе дифференциала выполнены расточки, в которых расположены упругие пружинные пакеты, выполненные в виде комплекта предварительно сжатых упругих элементов, установленных в стаканах с продольными пазами в стенках, размещенных в упомянутых расточках корпуса, и опирающихся на дно стаканов и подвижные диски, снабженные удлиненными выступами, посредством которых они установлены в пазах стаканов, и зафиксированные в стаканах стопорными кольцами, при этом подвижные диски опираются на ближние к корпусу диски фрикционных дисковых муфт, расположенные с зазором относительно корпуса.

Объединение двух технических решений в одну заявку связано с тем, что оба они решают одну и ту же задачу создание конструкции дифференциала повышенного трения с улучшенными блокирующими свойствами,повышенной долговечностью и расширенными эксплуатационными возможностями принципиально одним и тем же путем.

Конструктивное исполнение упругого элемента в виде комплекта предварительно сжатых упругих элементов (пружинный пакет) позволяет осуществлять его сборку отдельно до сборки дифференциала, т.е. предварительно собранные упругие элементы (пружинные пакеты) являются подузлами одного узла - дифференциала. Поэтому после сборки пружинных пакетов дальнейшая сборка механизма осуществляется как обычного конического с дисковыми муфтами, т.е. как и прототипа.

При предварительной сборке пружинного пакета обеспечивается возможность контроля сжатия упругих элементов. Подбор пакетов с одинаковой приведенной жесткостью для одного дифференциального механизма позволяет компенсировать погрешности изготовления и обеспечить тем самым стабильность и симметричность блокирующих свойств.

Упрощается сборка дифференциала, поскольку в процессе ее не нужно следить за взаимным расположением деталей, на которые опираются упругие элементы.

Наличие в пружинном пакете комплекта упругих элементов (винтовых пружин) одного типоразмера дает широкие возможности для регулирования начальных моментов Myiо

и Mнir (фиг. 3,4). Устанавливая в пружинный пакет комплект, состоящий из разного количества упругих элементов одного типоразмера, можно получать семейство характеристик блокирующих свойств дифференциала с различными моментами Mнiо и Mнir, что расширяет эксплуатационные возможности дифференциала.

Сопоставительный анализ с прототипом показал, что заявляемый дифференциал повышенного трения по первому варианту отличается тем, что в корпусе дифференциала выполнены расточки, в конструкцию введены упругие пружинные пакеты, выполненные в виде комплекта предварительно сжатых упругих элементов, установленных в стаканах с продольными пазами в стенках, размещенных в упомянутых расточках корпуса, и опирающихся на дно стаканов и подвижные диски, снабженные выступами, посредством которых они установлены в пазах стаканов, и зафиксированные в стаканах стопорными кольцами, при этом подвижные диски опираются на полуосевые шестерни, а в каждой из фрикционных дисковых муфт диски расположены с зазором относительно друг друга.

Предлагаемый дифференциал повышенного трения по второму варианту отличается тем, что в корпусе дифференциала выполнены расточки, в конструкцию введены упругие пружинные пакеты, выполненные в виде комплекта предварительно сжатых упругих элементов, установленных в стаканах с продольными пазами в стенках, размещенных в упомянутых расточках корпуса, и опирающихся на дно стаканов и подвижные диски, снабженные удлиненными выступами, посредством которых они установлены в пазах стаканов, и зафиксированные в стаканах стопорными кольцами, при этом подвижные диски опирающихся на ближние к корпусу диски фрикционных дисковых муфт, расположенные с зазором относительно корпуса.

На фиг. 1 и 2 показаны характеристики блокирующих свойств, обеспечиваемые прототипом и аналогом без использования другого типоразмера упругого элемента; на фиг. 3 и 4 характеристики, обеспечиваемые вариантами предлагаемого дифференциала; на фиг. 5 продольный разрез предлагаемого дифференциала; на фиг. 6 узел дисковой муфты дифференциала в случае поджатия пружинного пакета к полуосевой шестерне (конструкция обеспечивает семейство характеристик блокирующих свойств, показанное на фиг.3); на фиг. 7 узел дисковой муфты в случае поджатия пружинного пакета к пакету дисков (этот вариант обеспечивает семейство характеристик фиг.4).

Дифференциал содержит корпус 1 и опирающиеся на него сжатые предварительно упругие пружинные пакеты, состоящие из стакана 2, подвижного диска 3, стопорного кольца 4 и упругих элементов 5 (цилиндрических винтовых пружин), пакеты 6 фрикционных дисковых муфт, крестовину 7 с сателлитами 8, находящимися в зацеплении с полуосевыми шестернями 9, на торцевых сторонах которых со стороны зубчатого зацепления выполнены кулачки 10, зацепленные с кулачками, опирающихся друг на друга выходных полуосевых валов 11 дифференциала.

В крайних дисках 12, соединенных шлицами с корпусом 1, выполнены внутренние проточки под установку упругих пружинных пакетов, на подвижные нажимные диски 3 которых опираются либо полуосевые шестерни 9 (вариант А), либо пакеты дисков (вариант Б).

В варианте А диски фрикционных муфт расположены с зазором относительно друг друга (суммарный зазор 13),в варианте Б зазоры 13 выполнены между собой корпусом и крайними дисками 12 и имеются также гарантированные зазоры 14 между полуосевыми шестернями 9 и подвижными дисками 3 упругого пружинного пакета, не позволяющие им взаимодействовать между собой.

Предварительно собранные упругие пружинные пакеты установлены в проточках корпуса 1 дифференциала либо в свободном состоянии (вариант А), либо с предварительным сжатием, обеспечивающим сжатие пакетов дисков 6.

Дифференциал, выполненный по варианту А, работает следующим образом. При отсутствии крутящего момента на корпусе 1 трение в дифференциале отсутствует, т. к. предварительно сжатые упругие пружинные пакеты установлены в дифференциале свободно (без сжатия). В результате этого нет трения полуосевых валов 11 друг о друга. Наличие зазора 13 обеспечивает нулевой момент трения в пакетах 6.

При появлении и возрастании вращающего момента на корпусе дифференциала осевые составляющие сил конического зацепления сателлитов 8 и полуосевых шестерен 9 и осевые составляющие сил кулачков 10 начинают воздействовать на диски 3, стремясь сжать упругие пакеты. При этом пакеты 6 дисковых муфт не сжимаются и момент трения в них отсутствует.

При некотором значении вращающего момента на корпусе 1 дифференциала осевые составляющие сил конического зацепления сателлитов 8 и полуосевых шестерен 9 и осевые составляющие сил кулачков сожмут упругие пружинные пакеты на величину зазора 13. При этом пакеты муфт 6 упрутся в крайние диски 12. С дальнейшим ростом вращающего момента осевые составляющие указанных выше сил через большие торцы полуосевых шестерен 9 будут прижимать пакеты дисков 6 к крайним дискам 12. В пакетах 6 возникает момент времени, который будет возрастать при увеличении вращающего момента на корпусе дифференциала.

Незначительное (на величину зазора 13) перемещение полуосевых шестерен 9 от сателлитов 8 не уменьшит долговечности конического зацепления вследствие малости зазора 13 (до 0,5 мм).

В случае поджатия упругими пружинными пакетами крайних дисков 12 к пакету 6 дисков (вариант Б) дифференциал работает следующим образом. При подведении к корпусу дифференциала крутящего момента и его дальнейшем увеличении полуосевые шестерни 9 под действием осевых составляющих сил кулачков 10 и осевых составляющих сил конического зацепления воздействуют на подвижные диски 3 упругих пружинных пакетов.При этом момент трения в пакетах 6 дисков остается постоянным и определяется силой предварительного сжатия упругих пружинных пакетов. Момент трения будет оставаться постоянным до тех пор, пока осевые составляющие сил конических зацеплений и кулачков не достигнут по величине силы предварительного сжатия упругих пружинных пакетов.

С дальнейшим увеличением вращающего момента на корпусе дифференциала указанные выше осевые составляющие сил, воздействуя на диски 3 пружинного пакета, начнут сжимать установленные в нем упругие элементы 5 (винтовые пружины). При этом момент трения в пакетах 6 дисков начнет возрастать в виду увеличения усилий упругих элементов при деформации. Он будет возрастать и после того, как полностью выберется зазор 13. При этом крайний диск 12 сжатого пакета 6 упрется в корпус 1, что ограничит отход полуосевых шестерен 9 от сателлитов 8 и сохранит работоспособность конического зацепления.

Использование: относится к автотракторостроению, в частности к дифференциалам повышенного трения внедорожных многоприводных автомобилей и тракторов. Сущность: дифференциал повышенного трения содержит корпус, крестовину с коническими сателлитами, выходные полуосевые валы и связанные с ними торцевыми кулачками полуосевые шестерни. Между корпусом и полуосевыми шестернями расположены фрикционные дисковые муфты, ведущие диски которых связаны с корпусом, а ведомые - с полуосевыми шестернями. Дифференциал повышенного трения отличается от известных тем, что в проточках корпуса дифференциала на полуосевых валах установлены упругие пружинные пакеты, каждый из которых содержит комплект предварительно сжатых упругих элементов, установленных в стакане и опирающихся на связанный со стаканом пазами и стопорным кольцом подвижный диск, взаимодействующий с полуосевой шестерней либо пакетом дисков, который в последнем случае установлен с зазором относительно корпуса. 2 с.п.ф-лы, 7 ил.

1. Дифференциал повышенного трения, содержащий корпус, крестовину с коническими сателлитами, выходные полуосевые валы, установленные на них с возможностью осевых перемещений и связанные с ними торцевыми кулачками полуосевые шестерни, находящиеся в зацеплении с сателлитами, и расположенные между корпусом и полуосевыми шестернями фрикционные дисковые муфты, ведущие диски которых связаны с корпусом, а ведомые с полуосевыми шестернями, отличающийся тем, что в корпусе дифференциала выполнены расточки, в которых расположены упругие пружинные пакеты, выполненные в виде комплекта предварительно сжатых упругих элементов, установленных в стаканах с продольными пазами в стенках, размещенных в упомянутых расточках корпуса, и опирающихся на дно стаканов и подвижные диски, снабженные выступами, посредством которых они установлены в пазах стаканов, и зафиксированные в стаканах стопорными кольцами, при этом подвижные диски опираются на полуосевые шестерни, а в каждой из фрикционных дисковых муфт диски расположены с зазором относительно друг друга. 2. Дифференциал повышенного трения, содержащий корпус, крестовину с коническими сателлитами, выходные полуосевые валы, установленные на них с возможностью осевых перемещений и связанные с ними торцевыми кулачками полуосевые шестерни, находящиеся в зацеплении с сателлитами, и расположенные между корпусом и полуосевыми шестернями фрикционные дисковые муфты, ведущие диски которых связаны с корпусом, а ведомые с полуосевыми шестернями, отличающийся тем, что в корпусе дифференциала выполнены расточки, в которых расположены упругие пружинные пакеты, выполненные в виде комплекта предварительно сжатых упругих элементов, установленных в стаканах с продольными пазами в стенках, размещенных в упомянутых расточках корпуса, и опирающихся на дно стаканов и подвижные диски, снабженные удлиненными выступами, посредством которых они установлены в пазах стаканов, и зафиксированные в стаканах стопорными кольцами, при этом подвижные диски опираются на ближние к корпусу диски фрикционных дисковых муфт, расположенные с зазором относительно корпуса.