17.2. Призначення, загальна будова та робота диференціала

Диференціалом називається механізм трансмісії, який розподіляє обертовий момент двигуна між ведучими колесами та ведучими мостами автомобіля. Він служить для забезпечення ведучим колесам різної частоти обертання при русі автомобіля по нерівних дорогах та на поворотах.

Під час руху на повороті кожне колесо двовісного автомобіля рухається по своїй траєкторії, яка характеризується певним радіусом: зовнішнє ведуче (відносно центра повороту) – радіусом R_з внутрішнє ведуче – радіусом R_в. Отже, щоб не відбувалось проковзування коліс відносно дороги, вони повинні обертатися з різними частотами. Ведені колеса обертаються незалежно одне від одного. До ведучих коліс обертовий момент передається від головної передачі. Тому для запобігання проковзуванню необхідний диференціал.

Рис. 17.10. Схема повороту автомобіля з колісною формулою 4х2 та конструкція диференціала: 1 – корпус; 2 – сателіти; 3 і 6 – півосі; 4 і 5 – півосьові шестерні

Диференціал – планетарний механізм, у якого ведучою ланкою є корпус (водило), а веденими ланками – однакові за розмірами півосьові шестерні. Він складається з корпуса, сателітів та півосьових шестерень. Півосьові шестерні з’єднані півосями з ведучими колесами автомобіля.

В конструкції диференціалів найчастіше використовують конічні шестерні. За місцем розташування в трансмісії диференціали поділяють на міжколісні (розподіляють обертовий момент між ведучими колесами однієї осі) та міжосьові (розподіляють обертовий момент між головними передачами ведучих мостів). За розподілом обертових моментів на ведених валах диференціали бувають симетричні та несиметричні. За конструкцією розрізняють шестеренні, кулачкові та черв’ячні диференціали.

Рис. 17.11. Класифікація диференціалів

У симетричного міжколісного диференціала кількість зубів лівої і правої півосьових шестерень однакові, тому для такого планетарного механізму загальне передавальне відношення α дорівнює одиниці. Це і визначає його властивості:

• сума кутових швидкостей лівої і правої півосьових шестерень дорівнює подвоєній кутовій швидкості корпуса диференціала, тобто ;

• за будь-яких співвідношень кутових швидкостей лівої і правої півосьових шестерень обертові моменти рівні, тобто Мл = Мп.

При прямолінійному русі по рівній поверхні ліве і праве колеса автомобіля обертаються з однаковою кутовою швидкістю. З такою самою кутовою швидкістю обертається корпус диференціала . Сателіти не здійснюють відносного руху.

При повороті ліворуч в результаті відносного обертання сателітів праве колесо автомобіля повинно обертатися швидше за корпус диференціала, а ліве – повільніше . Зменшення кутової швидкості лівого колеса дорівнює збільшенню кутової швидкості правого колеса. Чим менший радіус повороту, тим більша відмінність в кутових швидкостях лівого і правого коліс. Проте сума кутових швидкостей ведучих коліс автомобіля залишається незмінною – не змінюється кутова швидкість корпуса диференціала, яка залежить від кутової швидкості колінчастого вала двигуна (при увімкненій передачі).

Якщо одне з коліс зупинене, інше обертається вдвічі швидше за корпус диференціала (якщо , то ). Це спостерігається у разі буксування одного з ведучих коліс нерухомого автомобіля.

Якщо під час руху автомобіля швидко зупинити корпус диференціала ( ), наприклад, трансмісійним стоянковим гальмом, то ведучі колеса повинні також зупинитися або обертатись у протилежних напрямах , і автомобіль може занести. Тому забороняється використовувати трансмісійне стоянкове гальмо для зупинки рухомого автомобіля.

Розподіл обертових моментів порівну між лівим та правим колесами є корисним під час руху автомобіля по дорогах з твердим покриттям і порівняно малим опором. Проте якщо одне з двох ведучих коліс під час рушання автомобіля з місця опинилося на слизькій ділянці дороги, то обертовий момент на ньому зменшується до значення, обмеженого коефіцієнтом зчеплення колеса з дорогою. Такий самий обертовий момент буде і на лівому колесі, хоча воно і перебуває на поверхні з високим коефіцієнтом зчеплення. Якщо сумарного моменту буде недостатньо для руху автомобіля, то він не зрушить з місця (ліве колесо буде нерухомим, а праве буксуватиме). Щоб позбутись цього недоліку диференціалів, застосовують їх примусове блокування, жорстко з’єднуючи одну з півосей з корпусом диференціала. При заблокованому диференціалі обертовий момент, який підводиться до колеса з більшим зчепленням, зростає, чим створюється велика сумарна сила тяги на обох ведучих колесах.

Для підвищення прохідності на деяких автомобілях, призначених для руху по бездоріжжю і ґрунтових дорогах, застосовують диференціали з примусовим блокуванням або самоблокувальні диференціали.

Конструкція диференціалів.

Конічні симетричні диференціали застосовуються в якості міжколісних та міжосьових.

Міжколісний конічний симетричний диференціал має корпус, який складається з двох половин – чавунних чашок, скріплених болтами. У площині роз’єму корпуса затиснута хрестовина, на шипах якої вільно встановлені чотири конічні сателіти. Кожен сателіт встановлений у зачепленні з двома конічними півосьовими шестернями, встановленими маточинами в корпусі диференціала. Всі шестерні диференціала мають прямі зуби. Для зменшення тертя між корпусом диференціала і торцевими поверхнями сателітів та півосьових шестерень, встановлені упорні шайби. Торцеві поверхні сателітів та інших шайб виконані сферичними, що забезпечує центрування сателітів і їх правильне зачеплення з півосьовими шестернями.

Рис. 17.12. Конструкція симетричного конічного диференціала: 1 – ліва чашка корпусу; 2 і 5 – півосьові шестерні; 3 – упорна шайба сателіта; 4 – сателіт; 6 – права чашка сателіта; 7 – вісь сателітів (хрестовина)

Міжколісні конічні симетричні диференціали різних автомобілів відрізняються переважно конструкцією корпусу і кількістю сателітів. Корпус диференціала легкових автомобілів виконують звичайно нероз’ємним, а оскільки через такий диференціал передається порівняно невеликий обертовий момент, то в ньому на осі розміщують тільки два сателіти.

Міжосьовий конічний симетричний диференціал має хрестовину, встановлену на шліцах ведучого вала. Обертовий момент від хрестовини через чотири сателіти підводиться до двох конічних шестерень. Передня ведена конічна шестерня диференціала виконана в одному блоці з ведучим циліндричним косозубим зубчастим колесом головної передачі (ГП). На ведучому зубчастому колесі ГП є вінець з прямими зубами, який за допомогою муфти блокування диференціала жорстко з’єднується з ведучим валом. Ведуче циліндричне зубчасте колесо перебуває в постійному зачепленні з веденим, яке напресоване на вал ведучої конічної шестерні гіпоїдної головної передачі проміжного моста автомобіля. Такий міжосьовий диференціал розподіляє обертовий момент між проміжним і заднім мостами автомобіля. До заднього моста обертовий момент підводиться від задньої веденої конічної шестерні диференціала. Для підвищення прохідності автомобіля на важкопрохідних ділянках дороги міжосьовий диференціал примусово блокують, подаючи стиснуте повітря в пневматичну камеру. Зубчаста муфта з’єднує ведуче зубчасте колесо з ведучим валом.

Рис. 17.13. Проміжний ведучий міст автомобіля: 1 – конічна ведуча шестерня головної передачі; 2 – конічне ведена шестерня головної передачі; 3 – міжколісний диференціал; 4 – вал привода заднього моста; 5 – корпус міжосьового диференціала; 6 – хрестовина; 7 – сателіт; 8 – ведуча циліндрична шестерня проміжного моста; 9 – муфта блокування міжосьового диференціала; 10 – пневматична камера; 11 – ведучий вал; 12 – ведена циліндрична шестерня проміжного моста; 13 – картер головної передачі

Диференціал підвищеного тертя (кулачковий) встановлюють між колесами ведучих мостів автомобіля ГАЗ-66. У сепараторі, виконаному разом з кришкою корпуса диференціала, у радіальних отворах вільно розміщені в два ряди двадцять чотири сухарі. До кришки прикріплене конічне зубчасте колесо головної передачі. Торці сухарів перебувають у постійному контакті з робочими поверхнями кулачків ведених зірочок. Щоб запобігти провертанню сухарів у виїмках, вони з одного боку мають лиски, а сепаратор – спеціальні кільця. Робочі поверхні кулачків побудовані по дугах кіл. Кулачки зовнішньої зірочки виконані по всій ширині її внутрішньої поверхні. Кулачки внутрішньої зірочки розташовані в два ряди із зсувом у рядах на половину кроку. Зсув на половину кроку кулачків в рядах внутрішньої зірочки і такий самий зсув в рядах сухарів забезпечують передавання зусилля від сухарів до зірочок за будь-якого напряму обертання. Якщо сухарі одного ряду перебувають в положенні, за якого передавання зусиль від сухарів до зірочок неможливе, то сухарі іншого ряду будуть у робочому положенні і передаватимуть зусилля.

Коли кутові швидкості обох ведених зірочок однакові, тобто ω₁= ω₂, то сухарі щодо поверхонь зірочок не переміщуються, тобто ω_сеп= ω₁= ω₂. Сепаратор, діючи на кожен сухар, який перебуває у робочому положенні, притискує його до поверхонь кулачків зовнішньої і внутрішньої зірочок, від яких обертовий момент підводиться до ведучих коліс.

Рис. 17.14. Головна передача і кулачковий диференціал автомобіляГАЗ – 66: а) – конструкція; б) – схема сил, які діють в диференціалі 1 і 2 – зірочки; 3 і 7 – півосі; 4 – сухарі; 5 – конічне ведене зубчасте колесо головної передачі; 6 – сепаратор

Рис. 17.15. Кулачковий диференціал підвищеного тертя

Коли кутові швидкості зірочок різні, тоді сухарі, обертаючись разом з сепаратором, пересуваються в його виїмках в радіальному напрямі від зірочки, яка має меншу кутову швидкість (відстає), до зірочки, яка обертається з більшою швидкістю (забігає). Робочі поверхні сухарів ковзають відносно поверхонь кулачків. На кулачках зірочки, яка відстає, швидкість ковзання сухаря спрямована у бік обертання елемента, а на кулачках зірочки, яка забігає, протилежний. Тому кутова швидкість колеса, що відстає, зменшується пропорційно до зростання кутової швидкості колеса, яке забігає.

Під час ковзання сухарів на поверхнях кулачків виникають сили тертя які збільшують тангенціальну складову реакції на зірочці, яка відстає і зменшують на тій, яка забігає. Внаслідок цього перерозподіляються моменти між зірочками і валами. Момент на колесі, яке відстає, стає в 3–5 разів більшим, ніж момент на колесі, яке забігає.

Висока зносостійкість кулачкового диференціала досягається застосуванням для виготовлення сепараторів обох зірочок і сухарів високоякісних легованих сталей.