ВЕДУЩИЙ МОСТ СИТКАРЕВА ДЛЯ ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА Российский патент 2006 года по МПК B60K17/32 B60K17/16 F16H25/12 

Изобретение относится к дифференциальным устройствам, касается конструкции ведущего моста транспортных средств и может быть использовано в автомобильной промышленности, на авиа- и судовом транспорте и в сельскохозяйственном машиностроении.

Известны ведущие мосты колесных транспортных средств, в которых для обеспечения разной скорости вращения ведущих колес, например при поворотах, используется дифференциал в виде планетарной зубчатой передачи с коническими шестернями [1]. При движении на криволинейных участках дороги такой дифференциал обеспечивает более медленное вращение внутреннего ведущего колеса, что позволяет благодаря этому избежать пробуксовки этого ведущего колеса и этим не допустить повышенного износа его шин, а также потерь мощности из-за затрудненного поворота транспортного средства. Недостатком таких ведущих мостов является то, что при попадании одного из ведущих колес на скользкий участок дороги оно начинает пробуксовывать, а другое ведущее колесо при этом перестает вращаться и поэтому не в состоянии сдвинуть с места транспортное средство, например автомобиль. Если же одно из ведущих колес автомобиля начнет пробуксовывать во время движения по скользкому участку, то создаются условия, вызывающие боковой занос автомобиля.

Известен ведущий мост автомобиля, в котором для устранения вышеуказанных недостатков используется кулачковый дифференциал повышенного трения [2]. Кулачковый дифференциал обеспечивает передачу крутящего момента на оба ведущих колеса и исключает возможность остановки одного ведущего колеса при пробуксовке другого. Однако из-за повышенного трения в элементах кулачкового дифференциала увеличиваются затраты мощности, и он не чувствителен к малым поворотам, при которых внутреннее ведущее колесо все же пробуксовывает. Этот недостаток отсутствует при вышеуказанных дифференциалах [1]. Поэтому кулачковые дифференциалы повышенного трения не получили распространения, а широкое применение в ведущих мостах сохранилось за планетарными дифференциалами с коническими шестернями.

Известен ведущий мост транспортного средства, в котором используется дифференциал в виде планетарной зубчатой передачи с коническими шестернями и в котором для устранения вышеуказанных недостатков таких дифференциалов применяется автоматическое управление блокировкой дифференциала в виде комплекса дополнительных устройств [3]. Этот комплекс включает систему реагирования на заданный угол поворота транспортного средства с датчиком угла поворота, связанным с элементом рулевого управления, управляющий элемент, связанный с силовым цилиндром зубчатой муфты блокировки дифференциала и с источником питания, два тахометрических датчика, связанных с соответствующими ведущими колесами транспортного средства и электрически связанных с электронным блоком, а также первый и второй элементы сравнения, имеющие дополнительные входы для задания порогового уровня, а управляющий элемент дифференциала выполнен в виде первого гидрораспределителя, дополнительно имеется второй и третий гидрораспределители, гидроклапан и так далее. Ввиду большой сложности конструкции такое устройство автоматического управления блокировкой дифференциала в ведущих мостах транспортных средств практического применения не получило.

Известен ведущий мост транспортного средства, в котором используется самоблокирующийся дифференциал [4]. Он состоит из корпуса с размещенными в нем пальцами, на которых установлены сателлиты. С сателлитами связаны ведущие шестерни шестеренчатых насосов, а в корпусе дифференциала размещены восемь шестеренчатых насосов, ведущие шестерни которых установлены соосно с шестернями полуосей. С каждой ведущей шестерней находятся в зацеплении четыре ведомые шестерни, внешние цилиндрические поверхности корпусов насосов соединены радиальными отводами с впадинами ведущих шестерен. Указанные цилиндрические поверхности охватываются кольцами, соединенными с картером (корпусом) главной передачи, кроме того, кольца в нижней части имеют окна. Ввиду большой сложности конструкции этот самоблокирующийся дифференциал не получил практического применения в ведущих мостах.

Известен ведущий мост автомобилей с ручным управлением принудительной блокировкой дифференциала с помощью зубчатой муфты, привод которой содержит вилку, соединенную с штоком поршня, размещенного в приставке, расположенной снаружи картера ведущего моста [5, 6]. В таком ведущем мосту привод зубчатой муфты для блокировки дифференциала представляет собой автономный узел, приставляемый к картеру ведущего моста, благодаря чему облегчается сборка ведущего моста. Однако при внешнем размещении привода зубчатой муфты, служащей для блокировки дифференциала, возможно его повреждение при случайном наезде транспортного средства на какое-либо крупное препятствие во время его движения по бездорожью. Кроме того, на указанной приставке и в пространстве между ней и картером ведущего моста могут накапливаться комки грязи, увеличивая неподрессоренные массы транспортного средства и способствуя коррозии.

Все известные конструкции ведущих мостов транспортных средств, основанные на использовании дифференциалов в виде планетарных зубчатых передач с коническими шестернями, имеют два больших недостатка: во-первых, требуют применения специальных устройств для блокировки дифференциала, чтобы исключить пробуксовку ведущих колес автомобиля, что резко усложняет конструкцию в целом; во-вторых, увеличивают радиальные размеры конструкции, вследствие чего у автомобилей уменьшается дорожный просвет, который является важным показателем их проходимости.

Наиболее близким по конструкции к заявляемому изобретению является ведущий мост Ситкарёва для транспортного средства, который включает в себя картер, ведущий вал, главную передачу в виде зубчатого зацепления ведущей и ведомой шестерен, корпус дифференциала, выполненный с центральным отверстием, расположенный на подшипниках в картере и жестко соединенный с ведомой шестерней, два ведомых вала, одним концом закрепленных в корпусе дифференциала с возможностью вращения, и пружины [7]. В ведомых валах со стороны корпуса дифференциала выполнены соосные цилиндрические полости с винтовой резьбой, центральное отверстие корпуса дифференциала выполнено фигурным. Через это отверстие проходит соосно ему соединяющий ведомые валы элемент, выполненный в виде стержня, имеющий в своей средней части поперечное сечение, соответствующее конфигурации отверстия, и установленный с возможностью перемещения в этом отверстии вдоль его оси, а цилиндрические концы соединяющего элемента изготовлены с углублениями, в которых установлены тела качения, например шарики, обеспечивающие зацепление этого элемента, т.е. стержня, с внутренней винтовой резьбой полостей ведомых валов. В каждом ведомом валу между дном его полости и торцом элемента установлена пружина.

Данная конструкция ведущего моста исключает необходимость использования как применяемого сейчас дифференциала, основанного на планетарной зубчатой передаче с коническими шестернями, так и специального устройства для самоблокировки или принудительной блокировки, поскольку использует предложенный автором принцип ограниченного саморегулирования скоростей вращения двух ведомых валов. Недостатком такого ведущего моста является относительная сложность конструкции.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является упрощение конструкции и технологии изготовления ведущего моста с автоматическим саморегулированием скоростей вращения двух ведомых валов (полуосей), а также повышение эффективности его работы.

Теоретическую основу достаточности ограниченного саморегулирования этих скоростей автор впервые показал нижеприведенным расчетом. Как видно из фиг.1, при повороте автомобиля на угол α наружное колесо по отношению к повороту будет двигаться по радиусу R, а внутреннее колесо по отношению к повороту будет двигаться по радиусу (R-t), где t - ширина колеи, т.е. расстояние между колесами. Количество оборотов наружного колеса n_н при повороте машины на угол α определяется формулой:

n_н=Rα/d,

а внутреннего колеса n_в соответственно

n_в=(R-t)α/d,

где d - диаметр колес.

Наружное колесо совершит больше оборотов на величину

n_н-в=n_н-n_в,

которая определяется формулой

n_н-в=Rα/d-(R-t)α/d=αt/d.

Т.е. величина n_н-в не зависит от радиуса поворота R! Этот вывод для многих является неожиданным.

Так как для грузовых автомобилей t/d≈1, то при угле поворота α=-90°=π/2 получаем n_н-в=1,57, а при угле α=180°=π получаем n_н-в=3,14. Так как для легковых автомобилей t/d≈1,5, то при угле поворота α=90°=π/2 получаем n_н-в=2,36, а при угле α=180°=π получаем n_н-в=4,71.

Получается второй уже для всех неожиданный вывод: при развороте машины, чтобы двигаться в обратном направлении, наружное колесо сделает количество оборотов по сравнению с внутренним колесом всего лишь больше на 3,14 оборота для грузовых и на 4,71 оборота для легковых автомобилей!

Эти два вывода (доказательства Ситкарёва) позволили автору предложить для ведущего моста как конструкцию прототипа, так и новую конструкцию, обеспечивающую требуемое ограниченное саморегулирование скоростей ведущих колес.

Достигается решение поставленной задачи благодаря предлагаемой конструкции, предусматривающей, по сравнению с прототипом, во-первых, применение соединяющего элемента в виде втулки, и, во-вторых, вместо внутренней винтовой резьбы в полостях ведомых валов выполнение наружной винтовой резьбы на концах этих валов со стороны корпуса дифференциала. Предложенный мост по сравнению с прототипом проще и надежнее по конструкции, более технологичен в изготовлении, а также при эксплуатации и ремонте.

Сущность предложенного технического решения состоит в том, что в ведущем мосту для транспортного средства, включающем картер, ведущий вал, главную передачу в виде зубчатого зацепления ведущей и ведомой шестерен, корпус дифференциала, расположенный на подшипниках в картере, жестко соединенный с ведомой шестерней и имеющий центральное отверстие, два ведомых вала, выполненных с винтовой резьбой, элемент, подвижно соединяющий ведомые валы посредством его зацепления с их винтовой резьбой через тела качения и проходящий через центральное отверстие корпуса дифференциала с возможностью осевого перемещения в этом отверстии, и пружины, согласно заявленному изобретению, центральное отверстие корпуса дифференциала выполнено в виде цилиндрической поверхности, на которой расположены углубления, например, полусферические, соединяющий элемент изготовлен в виде цилиндрической втулки, на наружной поверхности которой имеются продольные канавки, например, с полусферическим дном, параллельные ее оси, а на концах внутренней поверхности которой выполнены углубления, например, полусферические, концы ведомых валов со стороны корпуса дифференциала снабжены наружной резьбой и установлены во втулке с возможностью вращения, при этом втулка может перемещаться как относительно корпуса дифференциала посредством тел качения, например шариков, установленных одной половиной в углублениях внутренней цилиндрической поверхности корпуса дифференциала, а другой половиной - в продольных наружных канавках втулки, так и относительно ведомых валов посредством тел качения, например шариков, установленных в углублениях втулки и контактирующих с резьбой ведомых валов. Ведомые валы снабжены ограничителями перемещения по ним втулки, например, в виде буртиков, выполненных на этих валах, и спиральных пружин, расположенных между буртиками и торцами втулки. А на торцах ведомых валов, расположенных внутри корпуса дифференциала, выполнены углубления, в которых установлены тела качения, например шарики.

Решений, которые характеризуются совокупностью признаков заявленного изобретения, в доступных источниках информации не найдено, и сравнительный анализ предложенного устройства с конструкциями известных дифференциальных устройств позволяет сделать вывод о том, что предлагаемая конструкция отличается от известных наличием новых существенных признаков, т.е. о его соответствии критерию "новизна".

При изучении других технических решений не выявлено влияние совокупности отличительных признаков заявленного изобретения на упрощение конструкции. Это свидетельствует о творческом характере предлагаемого решения, т.е. о его соответствии критерию "изобретательский уровень".

Сущность изобретения поясняется чертежами (фиг.1-3).

На фиг.2 схематически изображен общий вид предложенного устройства с продольным вертикальным его разрезом, а на фиг.3 дан поперечный разрез предложенного устройства.

Заявленный ведущий мост включает в себя картер, в подшипниках 1 которого установлены ведущий вал 2, главная передача в виде конического зубчатого зацепления ведущей шестерни 3 и ведомой шестерни 4, причем шестерня 4 жестко соединена с корпусом 5 дифференциала. В этом корпусе, установленном на подшипниках 1 картера, выполнено цилиндрическое отверстие 6, на внутренней поверхности которого размещены углубления 7 и в котором установлена втулка 8, на наружной поверхности которой имеются продольные канавки 9, при этом втулка 8 имеет возможность перемещаться в отверстии 6 посредством шариков 10, установленных одной половиной в углублениях 7, например, полусферических, а другой половиной - в продольных канавках 9. Со стороны противоположных концов втулки 8 на ее внутренней цилиндрической поверхности 11 имеются углубления 12, например, полусферические. Ведомые валы (полуоси) 13 и 14 со стороны корпуса 5 дифференциала выполнены с наружной винтовой резьбой 15. При этом в углублениях 12 на втулке 8 установлены шарики 16, контактирующие с резьбой 15 ведомых валов 13 и 14. На торцах ведомых валов, расположенных внутри корпуса 5 дифференциала, выполнено углубление 17, например, полусферическое, в котором установлен шарик 18, определяющий необходимый зазор между торцами ведомых валов и обеспечивающий этим возможность вращения одного ведомого вала относительно другого. На каждом ведомом валу 13 и 14 выполнены буртики 19, которые, во-первых, через упор на подшипник 1 картера препятствуют смещению этих валов в сторону от корпуса 5 дифференциала, во-вторых, ограничивают величину перемещения втулки 8 по этим валам путем ее закручивания или выкручивания по их винтовой резьбе 15. С этой же целью на этих валах между буртиками 19 и торцами втулки 8 устанавливаются спиральные пружины 20.

Работа предлагаемого устройства осуществляется следующим образом.

Движение машины происходит при передаче вращения от ведущего вала 2 через ведущую шестерню 3 на ведомую шестерню 4, которая приводит во вращение корпус 5 дифференциала и через его отверстие 6 посредством шариков 10 втулку 8, а она передает крутящий момент на ведомые валы 13 и 14 через шарики 16, обеспечивающие внутреннее зацепление втулки 8 с винтовой резьбой 15 этих валов. Винтовые резьбы 15 выполнены на этих валах противоположными по направлению и ориентированы таким образом, что при движении машины вперед шарики 16 стремятся переместить через винтовую резьбу 15 полуоси 13 и 14 друг к другу, но этому препятствует установленный в их торце шарик 18, поэтому шарики 16 заставляют вращаться вместе со втулкой 8 полуоси 13 и 14. При движении машины назад шарики 16 стремятся через винтовую резьбу 15 отодвинуть эти полуоси друг от друга, но этому препятствуют буртики 19, упирающиеся в соответствующие подшипники 1 картера. Поэтому шарики 16 заставляют вращаться вместе со втулкой 8 ведомые полуоси 13 и 14 в обратном направлении. При поворотах машины втулка 8 будет перемещаться соосно относительно полуосей 13 и 14, обеспечивая этим (так же, как это описано в прототипе [7]) разность скоростей вращения этих полуосей и соответственно ведущих колес машины, так как предлагаемая конструкция ведущего моста осуществляет следующую взаимосвязь скоростей его полуосей:

n_н+n_в=2n_д,

при этом n_н=n_д+0,5n_н-в, n_в=n_д-0,5n_н-в, n_н-в=αt/d,

где n_д - число оборотов ведомой шестерни и соответственно корпуса дифференциала, остальные обозначения даны выше. Соосное перемещение втулки 8 относительно полуосей при повороте машины вызывает растяжение одной и сжатие другой пружины 20.

Например, при движении грузовой машины вперед и повороте ее вправо на 90° левое колесо (на полуоси 13) является наружным при повороте и будет быстрее вращаться, а вращение правого колеса (на полуоси 14) соответственно замедлится. При этом левый конец втулки 8 будет на 0,5n_н-в=0,785 оборота перемещаться вправо по левой полуоси 13 к середине корпуса дифференциала 5, а правый конец втулки 8 будет одновременно отодвигаться по правой полуоси 14 вправо от середины этого корпуса на эти же 0,785 оборота. Это означает, что левая полуось 13 дополнительно получает вращение (за счет относительного откручивания втулки 8 из левой полуоси 13) на эти же 0,785 оборота, а правая полуось 14 уменьшает вращение (за счет относительного закручивания при этом втулки 8 в правую полуось 14) на эти же 0,785 оборота. В целом левое ведущее колесо совершит при повороте на 90° больше оборотов, чем правое, всего на n_н-в=1,57 оборота (как показано выше расчетом).

После осуществления машиной поворота необходимо до начала следующего поворота обеспечить, чтобы втулка 8 вернулась в исходное (т.е. среднее) положение. Этому будут способствовать, во-первых, постепенное выравнивание нагрузки на ведущие колеса в процессе окончания поворота, во-вторых, действие пружин 20, в-третьих, кратковременное отключение нагрузки на ведомые валы, например сбросом газа для переключения скорости (что практически всегда происходит), поскольку при снятии нагрузки (крутящего момента) на шарики 16 и, соответственно, на ведомые валы 13 и 14 уменьшится сопротивление перемещению втулки 8 в ее исходное (или среднее) положение. Поэтому после каждого поворота или прохода скользкого места для возвращения втулки 8 в исходное положение достаточно будет хотя бы кратковременного движения вперед или кратковременного сброса нагрузки при движении (для переключения скоростей или специально).

Поскольку конструктивно нежелательно завышать величину осевых перемещений втулки (чтобы не увеличивать размеры конструкции), достаточно для автомобилей принять условие разового непрерывного поворота не более 270°, т.е. принять согласно выше приведенному расчету максимальный поворот втулки относительно полуосей (0,5n_н-в), равный всего лишь 2,4 оборота для грузовых и 3,6 оборота для легковых автомобилей.

При предлагаемом ведущем мосте не рекомендуется, чтобы автомобиль непрерывно крутился на одном месте (он для этого и не предназначен), поскольку при перемещении втулки 8 в крайнее положение прекращается саморегуляция оборотов колес, и они уже будут вращаться принудительно с одинаковой скоростью. Т.е. предлагаемая конструкция уже перестает выполнять свою заданную функцию при повороте более угла α_max, величину которого достаточно принять 270° как для обычных, так и для машин специального назначения.

Как и в прототипе [7], главная передача может быть выполнена в виде конической или цилиндрической зубчатой передачи или ременной зубчатой передачи.

Итак, предлагаемая конструкция ведущего моста Ситкарёва для транспортного средства обеспечивает, как и в прототипе, необходимый диапазон саморегуляции скоростей вращения ведомых валов, практически всегда достаточный, например для автомобилей, и по сравнению с прототипом имеет следующие преимущества:

1) упрощается конструкция моста, во-первых, за счет упрощения конструкции элемента, подвижно соединяющего ведомые валы (нет съемного наконечника - п.10 на фиг.2 в прототипе [7]), во-вторых, из-за отсутствия необходимости размещения подшипников между корпусом дифференциала и этими валами (п.20 на фиг.2 в прототипе), поскольку их роль выполняет втулка с шариками, установленными в его углублениях;

2) упрощается технология изготовления, эксплуатации и ремонта моста, так как не требуется в ведомых валах делать довольно глубокие полости, и винтовая резьба выполняется не внутри этих полостей, а на наружной поверхности этих валов;

3) повышается надежность конструкции, так как в прототипе, во-первых, глубокие полости в ведомых валах снижают их прочность на кручение и на изгиб, во-вторых, съемный наконечник (п.10 на фиг.2 в прототипе) снижает прочность конструкции элемента, подвижно соединяющего ведомые валы;

4) уменьшается радиальный размер моста, так как не требуется размещать подшипники между корпусом дифференциала и ведомыми валами (п.20 на фиг.2 в прототипе), что способствует уменьшению массы моста и увеличению дорожного просвета, т.е. улучшению проходимости автомобилей.

Источники информации

1. Кожевников С.Н. Теория механизмов и машин. / М.: - Машиностроение. - 1969, с.307-309.

2. Боровских Ю.И. и др. Устройство автомобилей / М. - Высш. шк., 1983, с.119.

3. Заявка Украины №95125096 от 01.12.95, кл. 5 В 60 К 17/20, Бюл. №3, 1998.

4. Патент Украины №23883 А от 31.08.98, кл. 6 F 16 Н 1/44, Бюл. №4, 1998.

5. Заявка Японии №60-580, кл. F 16 Н 1/445.

6. Заявка в ЕПВ №256746, кл. F 16 Н 1/44.

7. Заявка на изобретение №2003076084, поданная в Укрпатент 01.07.2003, кл. В 60 К 17/00; F 16 Н 1/00 - прототип.

Изобретение относится к транспортному и сельскохозяйственному машиностроению. Ведущий мост включает картер, ведущий вал, главную передачу в виде зубчатого зацепления ведущей и ведомой шестерен, корпус дифференциала, выполненный с центральным отверстием, расположенный на подшипниках в картере и жестко соединенный с ведомой шестерней, два ведомых вала, выполненные с винтовой резьбой, элемент, подвижно соединяющий ведомые валы посредством его зацепления с их винтовой резьбой через тела качения и проходящий через центральное отверстие корпуса дифференциала соосно ему с возможностью осевого перемещения в этом отверстии, и пружины. В центральном цилиндрическом отверстии корпуса дифференциала расположены углубления, например, полусферические. Соединяющий элемент изготовлен в виде цилиндрической втулки, на наружной поверхности которой имеются продольные канавки, например, с полусферическим дном, параллельные ее оси, а на концах внутренней поверхности выполнены углубления, например, полусферические. Концы ведомых валов со стороны корпуса дифференциала снабжены наружной резьбой и установлены во втулке с возможностью вращения, при этом втулка может перемещаться как относительно корпуса дифференциала посредством тел качения, например шариков, установленных одной половиной в углублениях внутренней цилиндрической поверхности корпуса дифференциала, а другой половиной - в продольных наружных канавках втулки, так и относительно ведомых валов посредством тел качения, например шариков, установленных в углублениях втулки и контактирующих с резьбой ведомых валов. При этом ведомые валы снабжены ограничителями перемещения по ним втулки, например, в виде буртиков, выполненных на этих валах, и спиральных пружин, расположенных между буртиками и торцами втулки. На торцах ведомых валов, расположенных внутри корпуса дифференциала, выполнены углубления, в которых установлены тела качения, например шарики. Технический результат: упрощение конструкции, эксплуатации и ремонта ведущего моста и повышение эффективности его работы. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Ведущий мост для транспортного средства, включающий картер, ведущий вал, главную передачу в виде зубчатого зацепления ведущей и ведомой шестерен, корпус дифференциала, расположенный на подшипниках в картере, жестко соединенный с ведомой шестерней и имеющий центральное отверстие, два ведомых вала, выполненных с винтовой резьбой, элемент, подвижно соединяющий ведомые валы посредством его зацепления с их винтовой резьбой через тела качения и проходящий через центральное отверстие корпуса дифференциала с возможностью осевого перемещения в этом отверстии, и пружины, отличающийся тем, что центральное отверстие корпуса дифференциала выполнено цилиндрическим и на этой его цилиндрической поверхности расположены углубления, например, полусферические, соединяющий элемент изготовлен в виде цилиндрической втулки, на наружной поверхности которой имеются продольные канавки, например, с полусферическим дном, параллельные ее оси, а на концах внутренней поверхности которой выполнены углубления, например, полусферические, концы ведомых валов со стороны корпуса дифференциала снабжены наружной резьбой и установлены во втулке с возможностью вращения, при этом втулка может перемещаться как относительно корпуса дифференциала посредством тел качения, например шариков, установленных одной половиной в углублениях внутренней цилиндрической поверхности корпуса дифференциала, а другой половиной - в продольных наружных канавках втулки, так и относительно ведомых валов посредством тел качения, например шариков, установленных в углублениях втулки и контактирующих с резьбой ведомых валов.2. Ведущий мост по п.1, отличающийся тем, что ведомые валы снабжены ограничителями перемещения по ним втулки, например, в виде буртиков, выполненных на этих валах, и спиральных пружин, расположенных между буртиками и торцами втулки.3. Ведущий мост по п.1, отличающийся тем, что на торцах ведомых валов, расположенных внутри корпуса дифференциала, выполнены углубления, в которых установлены тела качения, например шарики.