САМОБЛОКИРУЮЩИЙСЯ ДИФФЕРЕНЦИАЛ С ДОПОЛНИТЕЛЬНЫМИ СВОБОДНЫМИ САТЕЛЛИТАМИ Российский патент 2012 года по МПК F16H48/28 

Изобретение относится к машиностроению, а именно к дифференциальным передачам, и может быть использовано в трансмиссиях транспортных средств.

Известен «классический» дифференциал колесного транспортного средства [см., например, описание шестеренчатого конического дифференциала в сети Интернет по адресу http://tezcar.ru/u-differecial.html].

Дифференциал предназначен для передачи крутящего момента от главной передачи к полуосям колесной пары ведущего моста и позволяет вращаться полуосям с разной скоростью при повороте автомобиля и на неровностях дороги. Шестеренчатый конический дифференциал имеет полуосевые конические шестерни, закрепленные на полуосях, и сателлиты, закрепленные на общей оси (пальце), установленной в корпусе, который прикреплен к охватывающей его ведомой шестерне главной передачи.

При вращении ведущей шестерни и ведомой шестерни главной передачи крутящий момент передается на ось сателлитов, далее через сателлиты на полуосевые шестерни и на полуоси.

При движении автомобиля по прямой и ровной дороге ведущие колеса встречают одинаковое сопротивление и вращаются с одинаковой частотой. Сателлиты вокруг своей оси не вращаются, и на оба колеса передаются одинаковые крутящие моменты. Как только условия движения изменяются, например, на повороте, одна полуось начинает вращаться медленнее, так как колесо, с которым она связана, встречает большое сопротивление. Сателлиты приходят во вращение вокруг своей оси, обкатываясь по замедляющейся полуосевой шестерне и увеличивая частоту вращения второй полуоси. В результате это колесо ускоряет свое вращение и проходит большой путь по дуге наружного радиуса.

Такая конструкция проста в изготовлении и надежно работает, пока ведущие колеса неразрывно связаны с дорогой. Но когда одно из колес оказывается в воздухе или на льду, то крутится именно это колесо, в то время как другое, стоящее на твердом покрытии, останавливается, автомобиль не может тронуться с места.

Указанных недостатков отчасти лишены шестеренчатые самоблокирующиеся дифференциалы, известные под маркой TORSEN.

В дифференциале TORSEN первого типа [с информацией можно ознакомиться в сети Интернет по адресу http://ru.wikipedia.org/wiki/Detroit_Truetrac] шестерни ведущих полуосей и сателлиты являются червячными парами. При этом каждая полуось имеет собственные сателлиты, которые парно связаны с сателлитами противоположной полуоси обычным прямозубым зацеплением. Ось сателлита перпендикулярна полуоси. При нормальном движении и равенстве передаваемых на полуоси моментов, червячные пары «сателлит/ведущая шестерня» либо остановлены, либо проворачиваются, обеспечивая разницу угловых скоростей полуосей в повороте. Как только дифференциал пытается отдать момент на одну из полуосей, то червячную пару этой полуоси начинает расклинивать и блокировать с чашкой дифференциала, что приводит к частичной блокировке дифференциала. Данная конструкция работает в большом диапазоне отношений крутящего момента от 2.5/1 до 5.0/1. Диапазон срабатывания регулируется углом наклона зубцов червяка. Самоблокирующие дифференциалы TORSEN, в которых в качестве пары трения выступает червячная передача, описаны в патентах первого изобретателя таких конструкций - Вернона Глизмана [US 2628508; US 2859641; US 3884096]. Несмотря на значительное увеличение возможностей автомобиля при использовании самоблокирующихся дифференциалов, конструкция обладает рядом недостатков. Это вызвано тем, что в нормальных условиях (при хорошем сцеплении колес с дорогой) при движении по дуге самоблокирующийся дифференциал препятствует вращению колес, вызывая износ шин, повышенный расход топлива и ухудшая управляемость автомобиля. Также дифференциал довольно сложен в изготовлении, состоит из множества деталей и сильно подвержен износу при работе.

В качестве прототипа выбран самоблокирующийся дифференциал [RU 2115852], содержащий корпус, размещенный в нем палец с коническими сателлитами и взаимодействующие с ними полуосевые конические шестерни, и имеющий дополнительный блокирующий сателлит, который размещен между полуосевыми шестернями в их осевых отверстиях и связан с одной из них зубчатой муфтой, а с другой образует шестеренчатую передачу внутреннего зацепления с передаточным отношением, близким, но не равным 1.

Такая передача внутреннего зацепления с определенным передаточным отношением обеспечивает при движении автомобиля по дуге разницу в угловых скоростях полуосей (колес) в этом же соотношении, которое является оптимальным только для дуги определенного радиуса. Во всех других случаях конструкция вызывает проскальзывание одного из колес, что приводит к повышению износа, повышению нагрузки на трансмиссию и отрицательно сказывается на управляемости транспортного средства.

Целью изобретения является повышение надежности функционирования дифференциала.

Достигаемый технический результат - сочетание возможности работы в режиме самоблокировки и работы в классическом (свободном) режиме.

Указанная цель достигается тем, что самоблокирующийся дифференциал имеет корпус, в котором размещен палец с основными сателлитами и взаимодействующие с ними полуосевые шестерни, а также блокирующий сателлит. От прототипа отличается тем, что дополнительно содержит второй блокирующий сателлит, закрепленный на общей оси с первым блокирующим сателлитом, диаметр блокирующих сателлитов меньше, чем диаметр основных сателлитов, и блокирующие сателлиты находятся в постоянном зацеплении с одной из полуосевых шестерен, общая ось блокирующих сателлитов перпендикулярна оси вращения дифференциала, и ее концы размещены в диаметрально расположенных окнах, дополнительно выполненных в корпусе, при этом ось блокирующих сателлитов снабжена средством, ограничивающим ее угол поворота.

Средство, ограничивающее угол поворота оси блокирующих сателлитов, может быть выполнено в виде блокирующей муфты, установленной на корпусе с обеспечением осевого перемещения, блокирующая муфта снабжена прорезями для прохода оси блокирующих сателлитов, каждая прорезь имеет форму трапеции, большее основание которой имеет размер не менее ширины окна корпуса, а меньшее - менее ширины окна.

Средство, ограничивающее угол поворота оси блокирующих сателлитов, может быть выполнено в виде пружин, фиксирующих положение свободных концов оси блокирующих сателлитов относительно корпуса.

Для того чтобы лучше продемонстрировать отличительные особенности изобретения, в качестве примеров, не имеющих какого-либо ограничительного характера, ниже описаны предпочтительные варианты реализации. Примеры реализации иллюстрируется чертежами, на которых представлено:

Фиг.1 - дифференциал, общий вид, вариант исполнения с фиксирующей пружиной,

Фиг.2 - внутренние элементы с пространственным разделением,

Фиг.3 - дифференциал, общий вид, вариант исполнения с блокирующей муфтой,

Фиг.4 - поперечное сечение (свободное положение),

Фиг.5 - то же (заблокированное положение).

Самоблокирующийся дифференциал содержит корпус 1, в котором размещен палец 2 с двумя основными сателлитами 3 и взаимодействующие с ними две полуосевые шестерни 4 и 5, закрепленные на колесных полуосях 6. В корпусе также размещены два блокирующих сателлита 7, закрепленных на общей оси 8, при этом диаметр блокирующих сателлитов 7 меньше, чем диаметр основных сателлитов 3, и блокирующие сателлиты 7 находятся в постоянном зацеплении с одной из полуосевых шестерен (на фигурах - с шестерней 5). Шестерни и сателлиты могут быть выполнены коническими. Общая ось 8 блокирующих сателлитов 7 перпендикулярна колесным полуосям 6, то есть перпендикулярна оси симметрии дифференциала и ее концы размещены в диаметрально расположенных окнах 9, дополнительно выполненных в корпусе 1, при этом ось 8 блокирующих сателлитов снабжена средством, ограничивающим ее угол поворота.

Общая ось блокирующих сателлитов ограничена в перемещении высотой окна 9 корпуса или пальцем 2, так как он расположен над ней (в представленном примере термин «над» применен по отношению к полуосевой шестерне 5, с которой сателлиты взаимодействуют).

Средство ограничения угла поворота оси 8 блокирующих сателлитов 7 может быть выполнено в виде пружин 10 (Фиг.4 и Фиг.5), расположенных в окнах 9 и взаимодействующих с корпусом 1 и осью 8 и фиксирующих положение свободных концов оси 8 блокирующих сателлитов 7 в окнах 9 (например, каждый конец в центре соответствующего окна).

Средство ограничения угла поворота оси 8 может быть выполнено иначе, например в виде блокирующей муфты 11 (Фиг.3), свободно установленной на корпусе 1 (охватывающей корпус 1) с обеспечением возможности осевого перемещения вдоль корпуса 1. Блокирующая муфта 11 снабжена прорезями (фигурными окнами) 12 для прохода оси 8 блокирующих сателлитов. Каждая прорезь имеет, в основном, форму равнобедренной трапеции. В контексте данного описания термин «в основном» означает, что у трапеции могут быть скруглены углы или слегка выгнуты (вогнуты) боковые стороны. Бóльшее основание трапеции имеет размер не менее (равный или больше) ширины окна 12 корпуса, а меньшее основание - менее ширины окна. Осевое перемещение блокирующей муфты 11 обеспечивает рычаг управления 13, который позволяет водителю транспортного средства дистанционно управлять дифференциалом при его работе (вращении). В таком исполнении дифференциал в зависимости от положения рычага управления 13 может быть приведен в состояние автоматической блокировки или будет работать классическим (свободным) образом.

Представленная на фигурах конструкция работает следующим образом.

При движении транспортного средства по прямой и одинаковых силах сцепления колес вращение корпуса 1 передается через палец 2 основными сателлитами 3 полуосевым шестерням 4 и 5 и соответственно связанным с ними шлицевыми соединениями полуосям 6, вращающим колеса.

При повороте транспортного средства полуосевые шестерни 4 и 5 благодаря основным сателлитам 3 начинают вращаться в корпусе 1 в противоположные стороны. Блокирующие сателлиты 7 тоже начинают вращаться в противоположные стороны на оси 8, при этом инерция блокирующих сателлитов и сила их трения на оси 8 стремиться повернуть ось 8 в направлении вращения находящейся в зацеплении с блокирующими сателлитами 7 полуосевой шестерни 5. При повороте оси 8 блокирующих сателлитов 7 в направлении вращения полуосевой шестерни 5 блокирующие сателлиты 7 входят в зацепление с основными сателлитами 3, одновременно находясь в зацеплении с полуосевой шестерней 5, вызывая мгновенную остановку вращения полуосевых шестерен 4 и 5 относительно корпуса дифференциала 1 - дифференциал блокируется, полуоси вращаются как неразрезная ось.

Для контроля срабатывания блокировки дифференциала конструкция имеет описанное выше средство ограничения угла поворота оси блокирующих сателлитов.

Если оно выполнено в виде пружин 10 (Фиг.1), размещенных в окнах 9 и взаимодействующих с корпусом 1 и осью 8, то блокировка дифференциала будет срабатывать автоматически. При повороте транспортного средства скорость вращения полуосевой шестерни 5 в корпусе невысока и сила инерции и трения, стремящаяся повернуть ось 8, недостаточна для сжатия пружин 10 - ось не может повернуться на угол, необходимый для зацепления блокирующих сателлитов 7 с основными сателлитами 3. Блокирующие сателлиты 7 свободно крутятся на оси 8. Дифференциал работает как классический (свободный), сохраняя управляемость и передавая крутящий момент на колеса без потерь.

При пробуксовке одного из колес увеличивается скорость вращения полуосевой шестерни 5, сила инерции блокирующих сателлитов 7 способна, преодолев сопротивление пружин 10, повернуть ось 8 на угол, при котором блокирующие сателлиты 7 входят в зацепление с основными сателлитами 3. Дифференциал блокируется, пробуксовка колеса прекращается. При прекращении пробуксовки (вращение полуосевой шестерни 5 в корпусе 1) пружины 10 вернут ось 8 в среднее положение, выведя из зацепления друг с другом сателлиты 3 и 7 - дифференциал вернется в исходное (свободное) состояние.

Если средство ограничения поворота выполнено в виде дистанционно управляемой блокирующей муфты 11 (Фиг.3), то конструкция работает следующим образом.

При поднятой блокирующей муфте 11 ось 8 блокирующих сателлитов 7 касается короткого основания трапециевидных прорезей 12, а поскольку оно меньше, чем ширина окна 9, то угол поворота оси 8 ограничен не шириной окна 9, а боковыми сторонами трапециевидных прорезей 12 муфты 11. Ввиду этого блокирующие сателлиты 7 не могут войти в зацепление с основными сателлитами 3. Дифференциал работает как свободный, блокирующие сателлиты 7 при пробуксовке колес свободно вращаются на своей оси 8.

При необходимости включения автоматической блокировки дифференциала водитель транспортного средства осуществляет воздействие на рычаг управления 13, который перемещает муфту 11 вдоль корпуса. В нашем примере муфта 11 опускается, и в ее крайнем нижнем положении ось 8 блокирующих сателлитов 7 касается верхнего длинного основания трапециевидных прорезей 12. В этом положении угол поворота оси 8 уже не ограничен боковыми сторонами прорезей, а ограничен только шириной окон 9 корпуса 1 дифференциала. Это позволяет блокирующим сателлитам 7 входить в зацепление с основными сателлитами 3 при пробуксовке одного из колес, блокируя тем самым дифференциал.

Преимуществом такой конструкции является возможность управления блокировкой дифференциала на ходу и под нагрузкой и то, что полуоси при этом блокируются жестко, без проскальзывания. Полезным свойством конструкции будет возможность свободного поворота полуосей на некоторый угол (определенный углом поворота оси 8 блокирующих сателлитов 7 до их входа в зацепление с сателлитами 3) даже при опущенной блокирующей муфте 11. Это уменьшает дополнительные нагрузки на колеса и полуоси, неизбежные при работе дифференциала в заблокированном состоянии.

Блокировка дифференциала может срабатывать при движении транспортного средства и вперед и назад. Если при движении транспортного средства происходит попеременное проскальзывание колес, ось 8 с блокирующими сателлитами 7 будет совершать колебательные движения, блокируя проскальзывающие колеса попеременно.

Изобретение относится к машиностроению, а именно к дифференциальным передачам. Самоблокирующийся дифференциал содержит корпус, в котором размещен палец (2) с двумя основными сателлитами (3) и взаимодействующие с ними две полуосевые шестерни, закрепленные на колесных полуосях. В корпусе также размещены два блокирующих сателлита (7), закрепленных на общей оси (8). Диаметр блокирующих сателлитов (7) меньше, чем диаметр основных сателлитов (3). Блокирующие сателлиты (7) находятся в постоянном зацеплении с одной из полуосевых шестерен. Шестерни и сателлиты могут быть выполнены коническими. Общая ось (8) блокирующих сателлитов (7) перпендикулярна колесным полуосям, то есть перпендикулярна оси симметрии дифференциала и ее концы размещены в диаметрально расположенных окнах (9), выполненных в корпусе. Ось (8) блокирующих сателлитов снабжена средством, ограничивающим ее угол поворота. Изобретение позволяет повысить надежность и сочетает возможность работы в режиме самоблокировки и работы в классическом (свободном) режиме. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Самоблокирующийся дифференциал, имеющий корпус, в котором размещен палец с основными сателлитами и взаимодействующие с ними полуосевые шестерни, а также блокирующий сателлит, отличающийся тем, что дополнительно содержит второй блокирующий сателлит, закрепленный на общей оси с первым блокирующим сателлитом, диаметр блокирующих сателлитов меньше, чем диаметр основных сателлитов, и блокирующие сателлиты находятся в постоянном зацеплении с одной из полуосевых шестерен, общая ось блокирующих сателлитов перпендикулярна оси вращения дифференциала, и ее концы размещены в диаметрально расположенных окнах, дополнительно выполненных в корпусе, при этом ось блокирующих сателлитов снабжена средством, ограничивающим ее угол поворота.

2. Самоблокирующий дифференциал по п.1, отличающийся тем, что средство, ограничивающее угол поворота оси блокирующих сателлитов, выполнено в виде блокирующей муфты, установленной на корпусе с обеспечением осевого перемещения, блокирующая муфта снабжена прорезями для прохода оси блокирующих сателлитов, каждая прорезь имеет форму трапеции, большее основание которой имеет размер не менее ширины окна корпуса, а меньшее основание - менее ширины окна.

3. Самоблокирующийся дифференциал по п.1, отличающийся тем, что средство, ограничивающее угол поворота оси блокирующих сателлитов, выполнено в виде пружин, фиксирующих положение свободных концов оси блокирующих сателлитов относительно корпуса.