САМОБЛОКИРУЮЩИЙСЯ ДИФФЕРЕНЦИАЛ КОЛЕСНОГО ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА Российский патент 1997 года по МПК B60K17/16 

Изобретение относится к машиностроению и может использоваться в колесных тракторах и автомобилях повышенной проходимости.

Известен самоблокирующийся дифференциал транспортного средства, содержащий дифференциальную передачу от движителя к полуосям ведущих колес, фрикционные муфты для блокировки дифференциала, а также блокирующее устройство, управляемое автоматической гидравлической системой. Система срабатывает и блокирует дифференциальную передачу путем изменения давления жидкости в силовых цилиндрах за счет изменения сопротивления протеканию жидкости через калиброванные отверстия, имеющего место при различных скоростях вращения полуосевых шестерен буксующего и небуксующего колеса (SU, авт.св. N 1 620 341, кл. B 60 K 17/16, 1989).

Недостатком этого дифференциала является сложность конструкции.

Известен также самоблокирующийся дифференциал колесного транспортного средства, содержащий основную дифференциальную передачу, включающую водило, сателлиты и центральные колеса, соединенные с полуосями ведущих колес, а также устройство, блокирующее колеса ведущего моста при достаточно большом кинематическом рассогласовании, вызванном буксованием одного из колес, включающее дополнительную планетарную передачу и систему автоматической отработки нулевого кинематического рассогласования (путем изменения давления в шине одного колеса ведущего моста) при движении без буксования [1]
Недостатками этого дифференциала являются относительная сложность, громоздкость, низкое быстродействие (замедленное срабатывание, особенно при отработке нулевого кинематического рассогласования), что приводит к некоторым непроизводительным затратам ресурса ходовой части и топлива, а также узкая область применения (только в транспортных средствах с подкачкой колесных шин на ходу).

Задачей изобретения является снижение непроизводительных затрат энергии на износ ходовой части и упрощение конструкции.

Это достигается тем, что в самоблокирующемся дифференциале колесного транспортного средства, содержащем дифференциальную передачу, включающую водило, саттелиты, центральные колеса, соединенные жестко с полуосями ведущих колес, и блокирующее устройство, последнее выполнено в виде пары обгонных муфт двухстороннего действия, каждая из которых дополнительно снабжена инерционным диском с фрикционными элементами и поводками тел качения, при этом ведущие полумуфты связаны жестко между собой и с водилом, каждая из ведомых полумуфт с соответствующим центральным колесом, диски установлены на полуосях свободно, тела качения размещены в поводках, а фрикционные элементы установлены с возможностью взаимодействия диска с ведомой полумуфтой с моментом сил трения между ними менее момента сил инерции диска относительно полумуфты в режиме буксования колеса и более этого момента в режимах маневрирования и трогания с места транспортного средства. Кроме того, еще и тем, что тела качения выполнены подпружиненными, поводки их в виде вилки, а также подпружиниванием фрикционных элементов.

Столь значительная разность моментов сил инерции плавающего диска относительно ведомой полумуфты в различных режимах движения транспортного средства объясняется тем, что в режиме движения без буксования (маневрирование, трогание с места) в переходных процессах участвуют все: как вращающиеся, так и поступательно движущиеся массы. Поэтому переходные процессы в этих режимах оказываются сравнительно замедленными. Ускорение ведомых полумуфт с инерционными дисками сравнительно мало, следовательно, момент сил инерции инерционных дисков относительно полумуфт также сравнительно мал.

Во время буксования в переходных процессах участвуют только вращающиеся части привода и буксующего узла ведущего моста с буксующим колесом. Все прочие колеса и поступательно движущаяся масса всего транспортного средства (включая и все без исключения вращающиеся массы) выпадает из участия в переходных процессах. Следовательно, продолжительность переходных процессов в буксующем узле резко сократится по времени. Более того, скорости вращающихся частей буксующего узла в дифференциальном приводе возрастает вдвое при остановке небуксующего колеса. Момент сил инерции инерционного диска буксующего узла моста относительно ведомой полумуфты многократно увеличивается и превысит момент сил трения, создаваемых фрикционными элементами между поверхностями диска и ведомой полумуфты. Диск провернется относительно полумуфты, тела качения войдут в контакт с поверхностями ведущей и ведомой полумуфт, произойдет их защемление, и привод заблокируется, то есть потеряет относительную подвижность всех без исключения деталей ведущего моста (кроме деталей блокирующего узла). В результате полуоси обоих ведущих колес начнут вращательное движение со скоростью водила.

Аналитические исследования динамики системы автомобиль блокирующее устройство показали, что момент сил инерции диска в режиме буксования колеса превышает моменты в режимах маневрирования и трогания автомобиля, по крайней мере, на порядок. Это позволяет выполнить фрикционные элементы, отвечающие упомянутым выше требованиям.

Исследования кинематики системы показали, что при буксовании колеса соответствующая муфта блокирующего устройства срабатывает (блокирует дифференциал) в течение долей секунды, то есть практически мгновенно. Это обеспечивает желаемое быстродействие.

Разблокировка дифференциала, то есть перевод привода в дифференциальный режим, осуществляется при маневрировании (при среднем радиусе поворота P=25 м и базе колес a=1,85 м) за 0,034 оборота колес. Разблокировка происходит автоматически практически в самом начале движения без буксования, поскольку при движении транспортного средства всегда имеет место неизбежное непроизвольное маневрирование.

В известном самоблокирующемся дифференциале (2) для обеспечения движения без потерь энергии на износ ходовой части по причине кинематического рассогласования, вызванного буксованием, затрачивается некоторое время на отработку (путем изменения давления в шине регулируемого колеса) нулевого кинематического рассогласования, при котором упомянутые непроизвольные потери исключаются.

Заявляемой самоблокирующийся дифференциал конструктивно значительно проще хотя бы уже по причине отсутствия специальной автоматической системы изменения давления в шине регулируемого колеса, имеющей место в известном устройстве (2). Да и блокирующее устройство, выполненное в виде обгонных муфт, значительно проще двух дополнительных зубчатых передач, одна из которых к тому же является планетарной.

На фиг. 1 кинематически представлен самоблокирующийся дифференциал; на фиг. 2 разрез по А-А на фиг. 1.

Самоблокирующийся дифференциал содержит дифференциальную передачу от двигателя (не показан) к ведущим колесам, содержащую водило 1 с шестерней главной передачи 2, сателлиты 3, центральные колеса 4 и блокирующее устройство, включающее ведущие полумуфты 5, соединенные между собой и с водилом 1, ведомые полумуфты 6, каждая из которых соединена со своей полуосью 7 и 8 и тела качения в виде роликов 9, подпружиненных с двух сторон пружинами 10 (фиг. 2) в поводках 11 дисков 12, свободно посаженных на полуоси 7, 8 дифференциала.

Блокирующее устройство содержит также пружинные фрикционные элементы 13, обеспечивающие момент трения между ведомой полумуфтой 6 и соответствующим диском 12.

Величина момента трения T_ф, создаваемого фрикционными элементами 13, находится в пределах
T_букс.>T_ф>T_ман. (T_трог.),
где T_букс. момент сил инерции диска 12 при буксовании колеса;
T_ман. и T_трог. то же, при маневрировании и соответственно трогании транспортного средства с места.

Пружины в поводках тел качения предназначены для компенсации возможного неравномерного распределения нагрузки между телами качения при срабатывании муфты.

Самоблокирующийся дифференциал работает следующим образом.

Ситуация 1. Начало движения вперед.

Водило 1 и ведущие полумуфты 5 получают движение через шестерню 2 главной передачи. Через сателлиты 3 и центральные колеса 4 получают движение также ведомые полумуфты 6, а от них через фрикционные элементы 13 диски 12 с поводками 11, через которые приводятся в движение тела качения 9. Все упомянутые части, равно как и полуоси 7 (8) с ведущими колесами (не показаны) вращаются с одинаковыми угловыми скоростями.

В этой ситуации (без пробуксовок) в переходных процессах участвуют как все вращающиеся, так и поступательно движущиеся массы. Естественно, что длительность (во времени) протекания переходных процессов в этом случае сравнительно велика. Поэтому момент сил инерции, разгоняемых до скорости вращения полумуфт дисков 12 мал, и для разгона их достаточен момент сил трения T_ф, создаваемый фрикционными элементами 13 между поверхностями дисков 12 и полумуфт 6. Приведение в движение дисков 12 с телами качения 9 осуществляется благодаря моменту трения T_ф между боковыми поверхностями ведомых полумуфт и дисков 12, создаваемому фрикционными элементами 13, который (момент) при трогании более момента сил инерции дисков. В результате все части блокирующего устройства вращаются вхолостую.

Ситуация 2. Маневрирование транспортного средства.

При "забегании", например, колеса, приводимого полуосью 8, соответствующее центральное колесо 4 с соответствующей ведущей полумуфтой 5 опережает по частоте вращения полуось 7 с соответствующей ведомой полумуфтой 6. За счет момента сил трения T_ф>T_ман., создаваемого фрикционными элементами 13, синхронно ускорит свое движение диск 12 на полуоси 8 и тела качения 9 останутся в нейтральном (фиксированном) положении, при котором ведущая 5 и ведомая 6 полумуфты сохраняют свое независимое относительное движение. Благодаря этому обеспечивается свободное "забегание" соответствующего колеса при маневрировании. Иными словами, обеспечиваются классические дифференциальные свойства дифференциала, и непроизводительных затрат энергии по причине кинематического рассогласования не будет.

В рассматриваемой ситуации (без пробуксовок) в переходных процессах участвуют как все вращающиеся, так и поступательно движущиеся массы. Длительность протекания переходных процессов сравнительно велика. Поэтому момент сил инерции разгоняемых (до скорости вращения ведущих полумуфт) дисков 12 мал, и для разгона их достаточен момент трения T_ф, создаваемый фрикционными элементами 13.

Ситуация 3. Буксование одного из ведущих колес.

Допустим, забуксовало колесо, приводимое полуосью 8. Полуось 7 с соответствующим ведущим колесом остановились. В этой ситуации полуось 8 с соответствующей полумуфтой 6 получит вдвое ускоренное движение при неизменной скорости вращения водила 1.

В переходных процессах участвуют в этом случае только вращающиеся массы привода, механических передач и буксующего колеса с соответствующей полуосью 8. Поступательно движущиеся массы (массы автомобиля с приводом, механическими передачами и всеми колесами) в переходных процессах не участвуют. Время переходных процессов многократно сократится и момент сил инерции T_букс. диска 12 многократно возрастет и превысит момент сил трения T_ф, создаваемый фрикционными элементами 13 между поверхностями диска 12 "забегающего" колеса и соответствующей полумуфты 6. При отставании диска 12 отстают тела качения 9, связанные с диском с помощью поводков 11 через пружины 10. Произойдет заклинивание тел качения 9 между поверхностями полумуфт 5 и 6. Потеря относительного движения полумуфт 5 и 6 приведет к потере относительного движения соответствующего центрального колеса 4 относительно водила 1. Следовательно, прекратят вращательное движение относительно своих осей сателлиты 3 и центральное колесо 4, связанное с полуосью 7 небуксующего колеса, также потеряет подвижность относительно водила 1. Следовательно, оба центральных колеса 4 начнут вращательное движение со скоростью, равной скорости водила 1, и приведут в движение полуоси 7 и 8 с ведущими колесами. Иными словами, произойдет блокировка дифференциала.

Ситуация 4. Начало движения транспортного средства в благоприятных условиях движения с предварительно заблокированным дифференциалом во время буксования. Последующие пробуксовки отсутствуют.

При движении транспортного средства по прямой всегда имеет место непроизвольное незначительное маневрирование поочередно в одну и другую сторону. При повороте, когда "забегает" полуось 7 (заблокировано устройство полуоси 8), полумуфта 6 на полуоси 8 поворачивается вместе с полуосью в сторону выхода тел качения 9 из контакта с полумуфтами. Тела качения 9 занимают фиксированное нейтральное положение, полумуфты 6 и 5 получают свободу относительно движения, и дифференциал обретает классические дифференциальные свойства. Транспортное средство начинает движение без непроизводительных затрат энергии и ресурса ходовой части по причине межколесного кинематического рассогласования.

Исследования кинематики системы автомобиль блокирующее устройство показали, что разблокировка дифференциала, т.е. перевод его в дифференциальный режим, осуществляется при маневрировании (при среднем радиусе поворота P=25 м и базе колес a=1,85 м) за 0,034 оборота колес. Это подтверждает преимущество заявляемого решения перед известными.

Использование: в колесных транспортных средствах, например в автомобилях, тракторах. Сущность изобретения: в самоблокирующемся дифференциале, содержащем дифференциальную передачу, включающую водило, сателлиты, центральные колеса, соединенные жестко с полуосями ведущих колес, и блокирующее устройство, последнее выполнено в виде пары обгонных муфт двухстороннего действия, каждая из которых дополнительно снабжена инерционным диском с фрикционными элементами и поводками тел качения, при этом ведущие полумуфты связаны жестко между собой и с водилом, каждая из ведомых полумуфт - с соответствующим центральным колесом, диски установлены на полуосях свободно, тела качения размещены в поводках, а фрикционные элементы установлены с возможностью взаимодействия диска с ведомой полумуфтой с моментом сил трения между ними менее момента сил инерции диска относительно полумуфты в режиме буксования колеса и более этого момента - в режимах маневрирования и трогания с места транспортного средства. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Самоблокирующийся дифференциал колесного транспортного средства, содержащий дифференциальную передачу, включающую водило, сателлиты, центральные колеса, соединенные жестко с полуосями ведущих колес, и блокирующее устройство, отличающийся тем, что блокирующее устройство выполнено в виде пары обгонных муфт двустороннего действия, каждая из которых дополнительно снабжена инерционным диском с фрикционными элементами и поводками тел качения, при этом ведущие полумуфты связаны жестко между собой и с водилом, каждая из ведомых полумуфт с соответствующим центральным колесом, диски установлены на полуосях свободно, тела качения размещены в поводках, а фрикционные элементы установлены с возможностью взаимодействия диска с ведомой полумуфтой с моментом сил трения между ними менее момента сил инерции диска относительно полумуфты в режиме буксования колеса и более этого момента в режимах маневрирования и трогания с места транспортного средства. 2. Дифференциал по п.1, отличающийся тем, что тела качения выполнены подпружиненными. 3. Дифференциал по пп.1 и 2, отличающийся тем, что поводок тела качения выполнен в виде вилки. 4. Дифференциал по п.1, отличающийся тем, что фрикционные элементы выполнены подпружинеными.