ДИФФЕРЕНЦИАЛ С АВТОМАТИЧЕСКОЙ БЛОКИРОВКОЙ КОЛЕС Российский патент 1998 года по МПК B60K17/16 F16H48/12 

Изобретение относится к дифференциалам транспортных средств с механизмами автоматической блокировки и реверса ведущих колес одной оси для движения задним ходом, предназначенным для использования в колесных транспортных средствах в основном для движения по бездорожью (скользкая дорога, песчаная и т.п.).

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к описываемому является дифференциал с механизмами автоматической блокировки и реверса ведущих колес одной оси для движения задним ходом.

(GB N 2252801, F 16 H 35/04, 1992)
Недостатки прототипа:
- сложность конструкции, дополнительные трения, требующие смазки;
- невозможность дополнительного ручного блокирования ведущих колес одной оси при движении передним ходом, что не дает возможности торможения двигателем при экстремальных ситуациях (крутой скользкий спуск и пр.);
- невозможность передачи всего момента от двигателя на одно любое колесо оси при реверсе ведущих колес для движения задним ходом, т.е. дифференциал при этом не работает (не могут быть разные угловые скорости у ведущих колес при движении по кривой задним ходом, что является недостатком при движении по хорошей дороге).

Задача изобретения - повышение проходимости и безопасности движения транспортного средства путем осуществления дополнительной ручной блокировки ведущих колес оси при движении передним ходом в экстремальных ситуациях для возможности торможения транспортного средства двигателем, а также обеспечение работы дифференциала при движении задним ходом по кривой по хорошей дороге путем передачи М_кр раздельно на левый или правый борт, катящийся по наружной кривой при движении задним ходом.

Для достижения поставленной цели для движения задним ходом вводятся левый и правый механизмы принудительного перевода ведущих роликов переднего хода в положение для передачи момента от двигателя для движения задним ходом с передачей момента на одно любое или на оба ведущих колеса одной оси.

Спиральные поверхности на каждом ведомом конусе выполнены с зеркальным отражением друг друга (т.е. с двумя "подъемами" для ведущих роликов).

Упругий элемент выполнен в виде спиральной пружины на заклинивание роликов для движения вперед, один конец которой закреплен на сепараторе, другой - на ведомом конусе.

Ведущие колеса одной оси постоянно вращаются при передаче момента от двигателя к ним на всех режимах езды назад-вперед, что исключает их юз при торможении в автоматическом режиме.

Для возможности передачи момента от двигателя без изменения внутреннего диаметра ведущего корпуса каждый ведомый конус выполнен сдвоенным с двумя рядами роликов, двумя сепараторами и двумя спиральными пружинами с одинаковой закруткой на заклинивание роликов для движения вперед.

Как вариант для осуществления дополнительной ручной блокировки ведущих колес одной оси для движения вперед-назад, на каждом упомянутом сдвоенном ведомом конусе с противоположных сторон выполнены спиральные поверхности с зеркальным отражением друг друга.

В этом случае один ряд роликов (переднего хода) поджат спиральной пружиной на заклинивание, а второй ряд роликов (заднего хода) поджат на расклинивание.

Перед началом движения назад после включения механизма ручной блокировки ролики заднего хода переводятся в положение для передачи момента от двигателя для движения задним ходом, при этом образуется "двойной замок" роликов переднего и заднего хода.

На ведущем корпусе установлены механизмы ручной блокировки соответствующих сепараторов для реверса, которые могут также включаться водителем для торможения транспортного средства двигателем при экстремальных ситуациях при движении вперед.

На фиг. 1 показан дифференциал, вариант 1, продольный разрез; на фиг. 2 - совмещенные сечение А-А и вид Б на фиг. 1, где показаны: положение смонтированной правой спиральной пружины, положение механизма блокировки правого сепаратора и его принципиальное устройство, показаны кольцевые рифления на наружной поверхности сепаратора и связь его в момент ручной блокировки со штырем с укрупнением для более четкого его изображения; на фиг. 3 - сечение В-В на фиг. 1, где показано положение роликов после перевода их механизмом блокировки в положение для движения назад транспортного средства или при движении вперед в режиме торможения его двигателем; на фиг. 4 показан дифференциал, вариант 2, продольный разрез, с двумя сдвоенными ведомыми конусами с элементами ручной блокировки внутреннего сепаратора при реверсе.

Дифференциал с автоматической блокировкой ведущих колес при пробуксовке любого или обоих ведущих колес на плоскости качения в движении или трогании с места содержит смонтированный в картере 1 (см. фиг. 1) заднего моста транспортного средства ведущий корпус 2, в котором размещен ведомый конус 3 на конических подшипниках 4. Ведомый конус 3 жестко связан с левой полуосью 5 ведущего колеса, которая установлена на конических подшипниках 6, 7. Между подшипниками 4 и 7 на полуоси 5 установлена распорная втулка 8.

Внутренние обоймы подшипников 4, 6, 7 поджаты корончатой гайкой 9. Упорная шайба 10 удерживает наружный корпус шарикоподшипника 11. Наружные обоймы конических подшипников 4 удерживаются упорными шайбами 12, которые крепятся к торцам ведущего корпуса винтами.

Ведомая коническая шестерня 13 дифференциала связана жестко с ведущим корпусом 2. Ведущая коническая шестерня 14 установлена на конических подшипниках 15, 16, внутренние обоймы которых поджаты корончатой гайкой 17.

Правая полуось 18 с ведомым конусом установлена аналогично, с той разницей, что для возможности монтажа подшипник 11 - шариковый, отсутствует распорная втулка 8, подшипник 11 удерживается упорной шайбой 10, пакет конических подшипников 4, 19 поджат корончатой гайкой 20.

На ведомом конусе 3 выполнены спиральные поверхности, на которых размещены ведущие ролики 21, удерживаемые на своих местах сепаратором 22. На ведомом конусе 3 и сепараторе 22 выполнены выступы с отверстиями, в которые заведены концы спиральной пружины 23. Навивка и закрутка этой пружины выполнена таким образом, что сепаратор 22 постоянно поджимает ролики 21 к внутренней цилиндрической поверхности ведущего корпуса 2 на заклинивание. Передача М_кр от двигателя осуществляется через ведущую коническую шестерню 14 к ведущему корпусу 2 через ведомую коническую шестерню 13.

Передача М_кр на колеса осуществляется через элементы зацепления, выполненные в виде роликов, расположенных в сепараторе для контакта со спиральными поверхностями ведомого конуса и цилиндрической внутренней поверхностью ведущего корпуса дифференциала.

Дифференциал монтируется следующим образом.

Сепаратор с роликами монтируется на левом конусе, контрится контровочным кольцом, устанавливается спиральная пружина 23. Сепаратор 22 проворачивается на раскручивание пружины 23 и вместе с ведомым конусом заводится в ведущий корпус 2. Устанавливается внутренняя, потом наружная обойма подшипника 4 и устанавливается упорная шайба 12, распорная втулка 8, внутренняя обойма подшипника 7, наружный корпус подшипника, поджимаются конические подшипники 4, 6, 7 корончатой гайкой 9. Аналогично устанавливается правая полуось (без распорной втулки 8), упорная шайба 10 фиксирует наружный корпус шарикоподшипника 11, пакет конических подшипников 4, 19 поджимается корончатой гайкой 20.

Дифференциал работает следующим образом.

Когда на ведущий корпус 2 передается крутящий момент для движения вперед, ведущий корпус 2 начинает вращаться по часовой стрелке. Поскольку ведущие ролики 21 постоянно поджаты к внутренней цилиндрической поверхности ведущего корпуса 2 спиральной пружиной 23, то ведущий корпус 2 увлекает ведомый конус 3 без проскальзывания роликов.

При повороте наружное по отношению к центру поворота колесо движется с большей угловой скоростью, чем внутреннее колесо, в результате чего соответствующий ведомый конус опережает вращение ведущего корпуса и расклинивает соответствующие ролики. M_кр передается только на внутреннее колесо. При выравнивании угловых скоростей ведущих колес снова происходит заклинивание роликов ведомого конуса наружного колеса и т.д. Если прекратить передачу M_кр на ведущий корпус 2, то прекращается вращение ведущего корпуса 2, ролики 21 расклиниваются, сцепление ведущего корпуса с ведомым конусом 3 прекращается. Машина, получив разгон, движется накатом. При этом ролики 21 не скатываются по спиральным поверхностям, так как постоянно поджаты спиральной пружиной 23. Поэтому при выравнивании угловых скоростей вращения ведущих колес или при передаче M_кр от двигателя на ведущий корпус в процессе движения заклинивание роликов, а следовательно, и сцепление ведущего корпуса дифференциала с ведомым конусом осуществляется при минимальном их холостом ходе, а при трогании с места холостое вращение ведущего корпуса практически отсутствует. При движении транспортного средства по кривой при въезде наружного к повороту колеса на скользкий участок внутреннее колесо выталкивает машину на хороший участок дороги, а угловые скорости вращения колес при этом равны. При въезде на скользкий участок внутреннего колеса при его проскальзывании весь крутящий момент передается на наружное колесо, которое выталкивает машину на хороший участок, а после выезда со скользкого участка при продолжении движения по кривой сцепление наружного колеса с ведущим корпусом снова выключается и т.д.

Таким образом, M_кр передается постоянно на оба колеса при пробуксовке одного из колес пропорционально сцеплению каждого колеса с дорогой и угловые скорости вращения колес при пробуксовке одного или обоих колес выравниваются.

При движении по прямой без пробуксовки крутящие моменты распределяются на ведущие колеса поровну. При движении по кривой без пробуксовки весь M_кр передается на внутреннее колесо. При движении по прямой по скользкой дороге крутящие моменты распределяются пропорционально величине сцепления каждого колеса с дорогой при равных угловых скоростях вращения ведущих колес.

Таким образом, проходимость транспортного средства значительно повышена, т. к. M_кр при пробуксовке любого или обоих ведущих колес передается на оба колеса, а блокировка ведущих колес при этом осуществляется в движении или при трогании с места в автоматическом режиме (без участия водителя). При восстановлении сцепления с поверхностью качения обоих ведущих колес автоматическая блокировка мгновенно выключается (т.е. при повороте наружное по отношению к центру поворота колесо может вращаться с большей угловой скоростью). При выключении двигателя на подъеме сцепление дифференциала и ведущих колес с двигателем не прерывается, а при движении задним ходом при выключенном двигателе дифференциал работает, а ведущие колеса тормозятся двигателем.

Конструкция дифференциала проста и надежна. Испытания дифференциала показали, что сцепление и расцепление ведущего корпуса и ведомых конусов происходит мгновенно, очевидно, в пределах допусков на изготовление шестеренчатых передач известных дифференциалов и допустимых зазоров между зубьями их шестерен.

Ведомый конус (см. фиг. 4) снабжен дополнительным конусом 24 и выполнен как одна деталь, имеет шлицевое отверстие для насадки на шлицы полуоси в целях возможности завести на конусы сепараторы, ролики, контрольные кольца и спиральные пружины. Ведомый конус 24 имеет дополнительный сепаратор, два контрольных кольца, по два прилива для закрепления спиральных пружин. Навивка спиральных пружин ведомого конуса 24 одинаковая. Возможно закрепить один конец пружины на полуоси (в отверстие), второй - на сепараторе.

После установки на шлицы полуоси ведомый конус удерживается корончатой гайкой 25.

Описанные дифференциалы передают M_кр на ведущие колеса при движении в направлении вперед (т.е. в одном направлении).

Для осуществления передачи M_кр для движения в обратном направлении (задний ход) в дифференциал вводится механизм блокировки сепаратора и ведущего корпуса для движения в обратном направлении с одинаковой угловой скоростью.

В ведущем корпусе выполнено отверстие(я) и приварен штуцер 26 (см. фиг. 1, 2, 4), через который вводится штырь 27 для контакта с рифленой наружной поверхностью сепаратора.

К штуцеру 26 подсоединяется корпус электромагнита 28 со штырем 27. Штырь 27 является стержнем электромагнита и подпружинен цилиндрической пружиной для возврата его в исходное положение при обесточивании электромагнита.

На ведущем корпусе установлено электроизолированное металлическое кольцо 29, к которому может подводиться электрическое напряжение через графитовую щетку 30 типа генераторных. Один конец обмотки электромагнита подсоединен к массе (минус), а второй - к кольцу.

При включении микровыключателя(ей) в кабине водителя электрический ток через графитовую щетку(и) 30, подпружиненную в щеткодержателе(ях), подводится к электроизолированному кольцу(ам) 29 и далее к электромагниту, который выталкивает штырь и блокирует сепаратор. При выключении микровыключателя возвратная пружина штыря возвращает его назад до упора в ограничительную резьбовую заглушку.

При варианте 1 (фиг. 1) каждый ведомый конус имеет спиральные с зеркальным отражением друг друга поверхности (два "подъема") для контакта с ведущими роликами при движении вперед-назад. При включении ручной блокировки для движения назад сепаратор блокируется с ведущим корпусом, при начале вращения ведущего корпуса против хода часовой стрелки ведущие ролики заклиниваются для передачи M_кр на одно любое или оба ведущих колеса оси для движения задним ходом.

При варианте 2 (фиг. 4) ведомый конус выполнен сдвоенным, наружные (левые и правые) ролики работают при движении вперед, внутренние ролики (левые и правые), расположенные в центре ведущего корпуса - для движения назад. При этом блокируется внутренний сепаратор 31, поджатый спиральной пружиной на расклинивание.

Для движения задним ходом по кривой возможно заблокировать один внутренний сепаратор одного ведомого конуса, передающего M_кр на наружное колесо (по отношению к центру поворота).

При блокировании внутренних сепараторов 31 обоих ведущих колес возможно движение назад-вперед по прямой и кривой, при этом наружное колесо будет катиться с проскальзыванием при движении по кривой.

Возможен пневматический привод штыря известным способом с использованием кольцевой пневмокамеры.

На фиг. 4 также показано принципиальное устройство механизма блокировки внутреннего сепаратора конуса 24.

Механизмы блокировки сепараторов левого конуса (фиг. 1) и правого внутреннего конуса (фиг. 4) условно не показаны. На фиг. 1, 4 условно не показано второе электроизолированное кольцо.

Дифференциалы (фиг. 1, 4) с механизмами блокировки соответствующих сепараторов могут передавать M_кр также и для движения задним ходом.

Предложенные устройства работают как дифференциалы при движении вперед:
- накатом;
- с передачей M_кр от двигателя;
- при буксировке (карданный вал не вращается).

При движении назад:
- накатом (карданный вал вращается);
- при буксировке (карданный вал вращается);
- при передаче M_кр на одно ведущее колесо при качении его по наружной кривой при повороте.

При движении четырехколесного автомобиля на двух боковых колесах весь M_кр передается на ведущее колесо, контактирующее с поверхностью качения.

При движении назад ведущего колеса (вариант 1 фиг. 1) по внутренней кривой при включенной блокировке обоих сепараторов возможно проскальзывание наружного неведущего колеса. При этом будет ведущим одно внутреннее колесо. Возможно попеременное блокирование сепараторов в зависимости от направления поворота для обеспечения работы дифференциала, чтобы исключить проскальзывание наружного неведущего колеса.

При блокировании обоих сепараторов (вариант 2 фиг. 4) при движении назад M_кр будет передаваться на оба ведущих колеса оси.

Механизмы ручной блокировки сепараторов с ведущим корпусом дифференциалов варианта 1 (см. фиг. 1) и варианта 2 (см. фиг. 4), предназначенным для реверса ведущих колес, могут быть использованы при движении вперед в экстремальных условиях (скользкий крутой спуск и пр.) для торможения транспортного средства двигателем путем резкого сброса "газа" с последующим включением ручной блокировки обоих сепараторов.

Режимы движения транспортного средства с дифференциалом варианта 1 (см. фиг. 1):
1. При движении вперед по прямой или кривой для экстренного торможения двигателем необходимо резко сбросить "газ" (т.е. резко уменьшить частоту вращения коленвала двигателя до минимальной) и включить ручную блокировку обоих сепараторов.

Вследствие обгонного вращения ведомых конусов по отношению к ведущему корпусу после резкого сброса оборотов, ролики займут положение заднего хода при закручивании спиральной пружины обгонным вращением ведомого конуса и начнется торможение двигателем.

После окончания опасного участка дороги или остановки транспортного средства выключить блокировку сепараторов.

При дальнейшем движении без выключения блокировки при увеличении оборотов двигателя M_кр будет передаваться на оба ведущих колеса оси при прямолинейном движении и на одно внутреннее колесо при повороте, при этом наружное колесо будет проскальзывать. При этом будет иметь место обгонное вращение ведущего корпуса по отношению к ведомому конусу при увеличении оборотов, вследствие чего ролики займут положение передачи M_кр от двигателя к ведомому конусу. Спиральная пружина со стороны ведущего колеса при этом раскрутится до первоначального положения. При повороте спиральная пружина со стороны неведущего наружного колеса снова закрутится и т.д. При невыключенной блокировке движение накатом при работающем двигателе и включенной передаче невозможно. Движение накатом возможно при движении по прямой при разъединенной трансмиссии, по кривой - нежелательно, т.к. наружное колесо будет проскальзывать. Следует заметить, что при сбросе "газа" транспортное средство движется накатом.

Если транспортное средство снова попало на опасный участок дороги - резко сбросить "газ", ролики снова займут положение заднего хода - начнется торможение двигателем и т.д.

2. Для движения задним ходом по прямой и кривой:
Вариант 1. Включить блокировку обоих сепараторов и потом включить заднюю скорость.

При прямолинейном движении M_кр будет передаваться на оба ведущих колеса. При движении по кривой наружное колесо будет двигаться с проскальзыванием. После остановки выключить блокировку сепараторов.

Вариант 2. Для обеспечения работы дифференциала (движение назад) включить блокировку сепаратора со стороны колеса, которое будет катиться по наружной кривой, и включить заднюю скорость. При изменении траектории движения попеременно отключать и включать соответствующую блокировку сепаратора со стороны колеса, которое будет двигаться по наружной кривой. После остановки выключить блокировку.

Режимы движения транспортного средства с дифференциалом варианта 2 (см. фиг. 4):
1. При движении вперед по прямой или кривой:
Для экстренного торможения двигателем необходимо резко сбросить "газ" и сразу включить ручную блокировку обоих сепараторов. Эту операцию можно выполнить заранее перед въездом на опасный участок дороги в режиме движения накатом.

Вследствие обгонного вращения ведомых конусов по отношению к ведущему корпусу ролики заднего хода займут положение заднего хода, образовав два "двойных замка" роликов заднего и переднего хода - т.е. ведомые конуса жестко связаны с ведущим корпусом дифференциала на всех режимах дальнейшего движения транспортного средства.

После окончания опасного участка дороги или остановки выключить блокировку сепараторов. Под действием возвратной спиральной пружины ролики заднего хода переведутся в первоначальное положение.

Возможно дальнейшее движение вперед без выключения блокировки, дифференциал не будет работать.

2. При движении задним ходом по прямой или кривой:
Вариант 1. Включить блокировку обоих сепараторов и включить заднюю скорость. Вследствие того, что ведомые конусы не вращаются, а имеет место обгонное вращение ведущего корпуса относительно обоих ведомых конусов, то ролики заднего хода переведутся в положение заднего хода и M_кр будет передаваться на оба колеса поровну с проскальзыванием наружного колеса на повороте. После остановки выключить блокировку сепараторов. Возможно движение вперед без выключения блокировки, при этом M_кр будет передаваться на оба колеса на всех режимах езды, дифференциал не будет работать.

Вариант 2. Для обеспечения работы дифференциала включить блокировку колеса, которое будет двигаться по наружной кривой и включить заднюю скорость. При изменении траектории движения попеременно отключать и включать соответствующую блокировку колеса, которое будет двигаться по наружной кривой.

После остановки выключить блокировку. Следует заметить, что обгонное вращение ведомых конусов по отношению к ведущему корпусу происходит в движении вперед при сбросе оборотов двигателя (т.е. при движении накатом) или качении колеса по наружной кривой при повороте. Обгонное вращение ведущего корпуса по отношению к ведомым конусам происходит при трогании с места в направлении назад при включенной блокировке сепараторов и т.д.

Блокировку сепараторов отключает водитель в зависимости от дорожной обстановки.

Система настоящих дифференциалов на многоосных транспортных средствах при движении вперед ведет себя так, что гибко-дифференциалы не будут отключаться на тех парах колес, которые не попали на скользкий участок, в отличие от заблокированной системы существующих дифференциалов на многоосных транспортных средствах. Поэтому отпадает необходимость ручной блокировки при движении вперед на многоосных и других транспортных средствах, которая к тому же утомляет водителя.

Описанные дифференциалы просты по конструкции и компактны, что позволяет применить их на транспортных средствах, не имеющих ручной блокировки колес при движении вперед-назад.

При применении настоящих дифференциалов исключается юз ведущих колес при торможении, так как колеса вращаются принудительно на всех режимах езды при работающем двигателе и включенной передаче. Попытки ввести на автомобилях автоматические механизмы антиюза колес типа авиационных (например, самолета ТУ-16) не увенчались успехом из-за дороговизны.

Габаритные размеры ведущих мостов уменьшаются, также уменьшается трудоемкость их изготовления.

Возможность торможения двигателем при движении вперед, простота и компактность конструкции являются существенными преимуществами перед прототипом.

Описанные дифференциалы, простые и компактные по конструкции, обеспечивают повышение проходимости и безопасности движения транспортных средств.

Изобретение позволяет повысить проходимость и безопасность движения транспортного средства путем осуществления дополнительной ручной блокировки ведущих колес оси при движении передним ходом в экстремальных ситуациях для возможности торможения транспортного средства двигателем, а также обеспечить работу дифференциала при движении задним ходом по кривой по хорошей дороге путем передачи М_кр раздельно на левый или правый борт, катящийся по наружной кривой при движении задним ходом. При движении задним ходом левый и правый механизмы принудительного перевода ведущих роликов переднего хода вводятся в положение для передачи момента от двигателя для движения задним ходом с передачей момента на одно любое или на оба ведущих колеса одной оси. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Дифференциал транспортного средства с автоматической блокировкой ведущих колес, содержащий ведущий корпус, в котором размещены ведомые конусы, каждый из которых связан соответственно с левой и правой полуосями ведущих колес, при этом передача момента осуществлена от двигателя к ведущим колесам через элементы зацепления, выполненные для каждого ведомого конуса в виде роликов, расположенных в сепараторе для контакта со спиральными поверхностями ведомого конуса и внутренней цилиндрической поверхностью ведущего корпуса дифференциала, упругий элемент, выполненный в виде пружины, один конец которой закреплен на сепараторе, другой - на ведомом конусе, реверсивное устройство ведущих колес одной оси для движения транспортного средства задним ходом и элементы управления реверсивным устройством, отличающийся тем, что реверсивное устройство выполнено в виде механизма блокировки соответствующего сепаратора и ведущего корпуса для движения в обратном направлении с одинаковой угловой скоростью, при этом спиральные поверхности каждого ведомого конуса выполнены с зеркальным расположением друг относительно друга, пружина каждого конуса выполнена спиральной с одинаковой навивкой. 2. Дифференциал транспортного средства, отличающийся тем, что он снабжен дополнительным конусом, выполненным за одно целое с основным, с установленным между ним и ведущим корпусом дополнительным сепаратором рядом дополнительных роликов, и дополнительной пружиной с навивкой, аналогичной первой, размещенной на дополнительном конусе. 3. Дифференциал транспортного средства, отличающийся тем, что на дополнительном конусе выполнены спиральные поверхности с зеркальным расположением друг относительно друга. 4. Дифференциал транспортного средства, отличающийся тем, что механизм блокировки реверсивного устройства выполнен в виде штыря, размещенного в штуцере, на наружной поверхности сепаратора выполнены рифления, а в ведущем корпусе выполнено отверстие для контакта штыря с указанными выше рифлениями сепаратора для блокирования его с ведущим корпусом, привод механизма блокировки выполнен электромагнитным или пневматическим.