3.4.4. Дифференциалы колесных машин сельскохозяйственного назначения

В трансмиссию зерно- и кормоуборочных комбайнов введены простые шестеренчатые дифференциалы, которые в условиях плохих дорог и бездорожья являются причиной снижения производительности этих машин, ухудшения их проходимости и приводят к технологическим отказам вследствие буксования ведущих колес. Однако 15 % колесных тракторов, мелиоративных и дорожно-строительных машин также снабжены простым шестеренчатым дифференциалом, который проявляет положительные свойства лишь в условиях сухих и твердых дорог. В условиях же дорог с малой несущей способностью нередко проявляются его отрицательные качества, что в значительной степени снижает производительность этих машин, ухудшает управляемость, продольную и боковую устойчивость, тормозные качества и экономичность. 95…97 % грузовых, специальных и легковых автомобилей оборудованы простыми шестеренчатыми дифференциалами, что в условиях плохих дорог и бездорожья также ухудшает их динамические качества, тяговые свойства, проходимость и т.д.

В настоящее время преимущественное распространение получили конические шестеренчатые дифференциалы как более надежные, простые и компактные. Дифференциалы с цилиндрическими шестернями менее распространены. Но все дифференциалы работают нормально только до тех пор, пока сцепление колес с дорогой превышает силы сопротивления движению. Если же ведущие колеса работают на покрытиях с различным коэффициентом сцепления (или одно из колес моста вывешено), то наличие дифференциала оказывает отрицательное воздействие на передвижение машины. Машина останавливается или движется медленнее, с пробуксовкой, так как ее тяговые свойства определяются сцеплением того колеса, которое контактирует с худшим покрытием.

Чтобы в этих условиях повысить тяговое усилие колесной машины, нужно заблокировать дифференциал и тем самым ликвидировать или уменьшить разницу в угловых скоростях полуосей. Чаще всего на скользкий участок попадает одно колесо, а другое находится на участке с более высоким коэффициентом сцепления. Если при таком положении машины заблокировать полуоси (чтобы ведущие колеса работали как соединенные жесткой связью), то тяговое усилие будет увеличено за счет силы сцепления колеса, находящегося в более благоприятных условиях.

Проблема блокирования возникла с появлением дифференциала.

Полная или частичная блокировка может быть достигнута при помощи специальных механизмов, установленных в дополнение к обычному дифференциалу или вместо него.

Механизмы блокирования дифференциала можно разделить на две группы, различающиеся способом и эффективностью блокирования: механизмы с полной блокировкой и механизмы с частичной блокировкой.

Наиболее экономичными и перспективными механизмами для мобильных колесных машин сельскохозяйственного назначения являются автоматические механизмы с полной блокировкой, в обычных условиях не ухудшающие свойства простого шестеренчатого дифференциала.

3.4.5. Пути и средства повышения тягово-сцепных свойств и тормозных качеств мобильных колесных машин сельскохозяйственного назначения

В настоящее время повышение проходимости и увеличение тягово-сцепных свойств мобильных колесных машин осуществляется:

• увеличением числа ведущих колес (полное использование сцепного веса);

• уменьшением удельного давления на грунт (применение шин низкого давления и шин с переменным давлением);

• подбором конструкции протектора, обеспечивающего наилучшие сцепные качества;

• ликвидацией или ограничением буксования ведущих колес.

В качестве примера приведем несколько устройств, позволяющих повысить тягово-сцепные и тормозные свойства пневматических колесных движителей.

Устройство для разбрасывания сыпучих материалов под ведущие колеса транспортного средства. Данное устройство (патент РФ на полезную модель № 49491) позволяет избежать буксования ведущих колес на скользких несущих поверхностях (например, в условиях гололеда) (рисунки 3.8, 3.9 и 3.10).

Рисунок 3.8 – Принципиальная схема устройства для разбрасывания сыпучих материалов: 1 – ведущие колеса; 2 – сыпучий материал; 3 – желоб; 4 – бункер; 5 – отводная труба; 6 – шланг; 7 – глушитель; 8 – ресивер; 9 – двигатель; 10 – кран; 11 – соленоид; 12 – тормозная камера; 13 – выхлопная труба; 14 – сравнитель угловых ускорений; 15 – индуктивный датчик

Рисунок 3.9 – Принципиальная схема устройства для разбрасывания сыпучих материалов (бункер): 16 – окно; 17 – кузов; 18 – регулировочная колонка; 19 – ворошитель

Рисунок 3.10 – Схема тормозной камеры с ворошителем: 19 – ворошитель; 20 – шток тормозной камеры; 21 – болт; 22 – шестерня; 23 – подшипник; 24 – рейка

Устройство работает следующим образом. Если угловое ускорение буксующего колеса будет составлять 10…25 с^-2 и выше, то включается в работу сравнитель угловых ускорений. При его включении кран, находящийся на одной из отводных труб, открывается с помощью соленоида и обеспечивает поступление воздуха из ресивера в бункер. Порция сыпучего материала, поступившая в желоб бункера через окно регулировочной колонки, под воздействием воздуха выбрасывается под ведущие колеса машины. При снижении углового ускорения буксующего колеса и прекращении буксования сравнитель углового ускорения ведущих колес выключается из работы, подача воздуха в бункер прекращается. Во избежание уплотнения или слипания частиц сыпучего материала конструкция предусматривает одновременную подачу воздуха из ресивера в тормозную камеру, которая приводит в действие винтообразный ворошитель, расположенный внутри бункера.

Разбрасывающее устройство необходимо применять для каждого ведущего колеса. При раздельном буксовании ведущих колес работает только одно разбрасывающее устройство (правое или левое). Как правило, совместное буксование ведущих колес происходит довольно редко. В данном случае автоматическая система управления устройством разбрасывателя сыпучего материала не работает, устройство можно включать нажатием кнопки управления. При этом обеспечиваются открытие кранов обеих отводных труб и подача воздуха в оба бункера с сыпучим материалом.

Быстросъемное траковое приспособление. На рисунке 3.11 представлена принципиальная схема приспособления, монтирующегося на сдвоенном ведущем колесе. Устройство включает в себя конусное кольцо 5, съемные траки 1, соединительные штоки 3. Кольцо располагается между сдвоенными дисками ведущего колеса 6. На кольцо приворачиваются проушины 4 с отверстиями под палец 2 для установки съемных траков. На конусной части кольца может быть произведена «накатка» (при изготовлении) с целью лучшего сцепления кольца с боковыми поверхностями сдвоенных дисков колес. Траки могут быть легко демонтированы, если машина эксплуатируется в условиях дорог с высокой несущей способностью. При этом наличие конусного кольца на ведущих колесах автомобиля никоим образом не будет препятствовать его движению.

Рисунок 3.11 – Схема тракового приспособления для повышения проходимости автомобилей в сложных дорожных условиях и в условиях бездорожья: 1 – съемный трак; 2 – соединительный палец; 3 – соединительный шток; 4 – проушина; 5 – конусное кольцо; 6 – ведущие колеса; 7 – шипы противоскольжения; 8 – верхняя часть съемного трака

Съемный трак может быть изготовлен из швеллера, уголка и другого стального профиля. При движении машины по скользким дорогам (гололеду) траки могут быть оснащены шипами противоскольжения 7, легко устанавливаемыми в верхнюю фигурную часть трака 8.

Установка съемного трака может производиться в любых условиях эксплуатации автомобиля. Быстросъемное приспособление для повышения проходимости автомобилей может изготовляться непосредственно на сельскохозяйственных предприятиях.

Механизм автоматической блокировки дифференциала. Предлагаемая конструкция автоматической блокировки дифференциала работает на принципе ограничения угловых ускорений полуосей дифференциала тангенциальными силами инерции. Механизм может обеспечивать полную и частичную блокировку. В том случае, если блокирующий диск и внутренняя поверхность корпуса дифференциала гладкие – блокировка будет частичной. Если же наружная поверхность блокирующего диска имеет радиальные выступы, а на корпусе дифференциала выполнены радиальные пазы, то механизм будет обеспечивать полную блокировку дифференциала.

Блокирующий механизм (рисунок 3.12) представляет собой двухстороннюю муфту, вращающуюся вместе с полуосевыми шестернями дифференциала 9. Механизм состоит из нажимного диска 4 с радиальными ребрами и втулкой, блокирующего диска 5 с радиальными пазами, витой силовой пружины 7. Пружина одним концом закреплена на ступице нажимного диска, другим – к блокирующему диску.

Рисунок 3.12 – Принципиальная схема механизма блокировки дифференциала: 1 – полуоси; 2 – упорные конические шарикоподшипники; 3 – корпус дифференциала; 4 – нажимные диски; 5 – блокирующие диски; 6 – шлицы полуосей; 7 – винтовая силовая пружина; 8 – сателлиты; 9 – шестерни полуосей

Блокирующий механизм расположен в корпусе дифференциала на шлицах полуосей ведущих колес 6. Блокирующий диск посажен на ступицу нажимного диска и находится с последним в постоянном зацеплении. Постоянное зацепление дисков осуществляется радиальными ребрами и пазами. Силовая витая пружина постоянно удерживает диски в сомкнутом состоянии.

Все детали блокирующего механизма вращаются с одинаковой угловой скоростью шестерни полуоси. При движении колесной машины прямо, на поворотах, при переезде колесом каких-либо препятствий блокирующий механизм не работает. При попадании одного из ведущих колес на скользкий участок пути – колесо начинает пробуксовывать.

Нажимной диск (буксующего колеса), получив приращение углового ускорения ( = 10…25 с^-2), вместе с шестерней полуоси поворачиваются на угол 3…7 (в зависимости от числа радиальных выступов и впадин).

За счет силы инерции блокирующий диск остается неподвижным, нажимной диск стремится выйти из зацепления. Радиальные эллипсные выступы смещаются относительно центров радиальных впадин. Блокирующий диск, преодолевая сопротивление пружины, перемещается вдоль ступицы нажимного диска до стенок корпуса дифференциала. За счет сил трения происходит блокировка дифференциала. При дальнейшем движении машины происходит «игра» полуосей. Вследствие этого давление в блокирующей муфте (нажимной диск – блокирующий диск – стенка корпуса дифференциала) ослабевает, и блокирующий диск возвращается в исходное положение под действием упругих сил витой пружины. Расклинивание механизма наступает при небольшом перемещении полуоси колеса, вызвавшего блокировку дифференциала, по отношению к коробке сателлитов в направлении расклинивания.

Силы инерции в дифференциале наиболее велики в то время, когда начинается относительный поворот полуосей и когда колесо, имеющее худшее сцепление с грунтом, еще не успело раскрутиться. По этой причине механизм включается, используя касательные силы инерции.

Используемый механизм способен блокироваться только при заданной величине углового ускорения ведущего колеса, определяющей чувствительность блокирующего механизма и продолжительность действия углового ускорения колеса.

Устойчивость и тормозные качества мобильной колесной техники можно улучшить с помощью антиблокировочных систем. Антиблокировочная система (АБС) предназначена для того, чтобы вне зависимости от условий торможения обеспечивать такое относительное движение колес, при котором создается оптимальное сочетание устойчивости и тормозной эффективности.

В настоящее время разработкой и внедрением АБС заняты практически все крупные автомобильные фирмы мира: GMC, Ford, Bendix, Westinghouse, FIAT DBA и многие другие. Как правило, это электронные системы, имеющие достаточно мощный компьютер. Поэтому данные системы в основном устанавливаются на современных дорогостоящих легковых автомобилях. Что касается грузовой техники, то даже на зарубежных машинах АБС – довольно редкое явление. Поэтому данные системы едва ли могут быть (даже с переделками) использованы на современной отечественной колесной мобильной технике сельскохозяйственного назначения.

В процессе сельскохозяйственного производства может быть использовано относительно простое устройство антиблокировочной системы для колесных машин с гидравлическим приводом тормозов.

Данное устройство состоит (рисунок 3.13) из обрезиненного ролика 1, соединенного с генератором 2, который в свою очередь связан с электромагнитным клапаном 3. Данное устройство крепится на рессоре 5 с помощью шарнирного устройства 6. Для того чтобы ролик совершал вращение без проскальзывания, предусмотрена пружина 4. При движении автомобиля, вращающееся колесо приводит в действие обрезиненный ролик 1 и связанный с ним генератор 2, который подает ток в катушку соленоида электроклапана 3.

Антиблокировочная система работает следующим образом (рисунок 3.14). Когда торможение осуществляется без блокировки колеса, то тормозная жидкость поступает как обычно в тормозной цилиндр 5 колеса через трубопровод 7. При этом отверстие в сердечнике 6 соленоида расположено таким образом, что предотвращает прохождение тормозной жидкости в расширительную камеру (корпус цилиндра 15), так как на электроклапан 8 подается напряжение, связанное с вращением колеса. Обратный шариковый клапан 16 также закрывает путь тормозной жидкости. Когда колесо заблокировано, то с генератора на соленоид (электроклапан 8) напряжение не подается и под действием пружины 10 сердечник соленоида 11 занимает место, при котором отверстие в сердечнике соленоида 18 располагается, как показано на рисунке 3.14, делая возможным прохождение жидкости к корпусу цилиндра 15. В связи с тем, что для тормозной жидкости открывается дополнительный объем в корпусе цилиндра 15, давление в тормозном цилиндре 5 начинает падать.

Под действием стяжной пружины (пружин) 3 тормозная жидкость выходит из тормозного цилиндра 5, снижая давление тормозных колодок 2 на тормозной барабан, что позволяет разблокировать колесо. Избыток тормозной жидкости собирается в расширительной камере (корпусе цилиндра 15), преодолевая усилие пружины 14. Как только колесо начинает вращаться, на соленоид (электроклапана 8) подается напряжение и электроклапан 8 перекрывает путь прохождения тормозной жидкости в расширительную камеру (корпус цилиндра 15), тем самым повышая давление тормозной жидкости в тормозном цилиндре 5. Давление тормозных колодок на тормозной барабан также увеличивается. Если колесо снова окажется заблокированным, то указанный цикл повторится. Достаточно быстрое повторение циклов позволяет получить максимально возможное тормозное усилие в зоне контакта колеса с дорогой без блокировки колеса.

Р исунок 3.13 – Принципиальная схема расположения узлов и деталей АБС:1 – обрезиненный ролик; 2 – генератор; 3 – электромагнитный клапан; 4 – пружина; 5 – рессора; 6 – шарнирное устройство

Рисунок 3.14 – Принципиальная схема работы АБС на различных режимах торможения: 1 – тормозной барабан; 2 – тормозная колодка; 3 – стяжная пружина; 4 – резиновый противопыльный колпачок; 5 – рабочий тормозной цилиндр колеса; 6 – щит; 7 – трубопроводы; 8 – корпус электроклапана; 9 – катушка электроклапана; 10 – пружина электроклапана; 11 – сердечник соленоида; 12 – резиновая манжета поршня; 13 – поршень; 14 – пружина; 15 – корпус цилиндра; 16 – обратный шариковый клапан; 17 – пружина обратного клапана; 18 – отверстие в сердечнике соленоида

Если процесс торможения заканчивается, давление жидкости в тормозной системе снижается. Тогда под действием пружины 14 поршень 13 с резиновой манжетой 12 начинает выталкивать тормозную жидкость обратно в систему. При этом она будет выходить из расширительной камеры (корпуса цилиндра 15) двумя путями: через отверстие в сердечнике соленоида 18 и обратный шариковый клапан 16, преодолевая усилие пружины 17. Это позволит быстро освободить место в расширительной камере (корпусе цилиндра 15) для тормозной жидкости при новом процессе торможения.

Приспособление для вывешивания колес транспортного средства, попавшего в глубокую колею. При попадании колес машины в глубокую колею управляемый и ведущий мосты «врезаются» в грунт, и ее движение становится невозможным. Одним из решений этой проблемы является вывешивание колес с помощью приспособления, принципиальная схема которого представлена на рисунках 3.15 и 3.16.

Рисунок 3.15 – Принципиальная схема приспособления для вывешивания колес транспортного средства, попавшего в глубокую колею: 1 – шкив коленвала; 2 – рама автомобиля; 3 – масляный насос НШ; 4 – шкив привода масляного насоса НШ; 5 – ремень привода шкива насоса НШ; 6 – шкив генератора; 7 – двигатель; 8 – шкив привода крыльчатки вентилятора; 9 – бачок для масла; 10 – маслопровод; 11 – силовой цилиндр; 12 – колесо; 13 – грунт; 14 – ведомый и ведущий мосты; 15 – масляные краны (золотники); 16 –кузов автомобиля; 19 – электроклапаны

Работа приспособления заключается в следующем. При попадании транспортного средства в глубокую колею водитель надевает приводной ремень 5 на шкив 4 масляного насоса 3 и второй ручей шкива генератора 6. Ременный привод 5 масляного насоса может осуществляться от второго ручья шкива коленчатого вала 1.

Рисунок 3.16 – Принципиальная схема приспособления для вывешивания колес транспортного средства, попавшего в глубокую колею (вид сзади)

С целью вывешивания колеса устанавливают один из силовых цилиндров 11 на деревянную прокладку, заводят двигатель 7 и, нажатием кнопки, открывают электроклапан 19. Масло под давлением из масляного насоса 3 поступает в силовой гидроцилиндр 11 и поднимает колесо 12. После этого электроклапан 19 закрывается, фиксируя поднятое колесо 12. Водитель выключает двигатель и подкладывает под колесо подручный материал (камни, стволы деревьев и др.).

Подложив подручный материал, водитель открывает электроклапан 19 и устанавливает силовой цилиндр 11 в транспортное положение. После этого он пробует выехать из колеи. Выехав из колеи на твердый грунт, водитель, остановив двигатель 7, снимает ремень привода масляного насоса.

При открытии электроклапана 19 масло, под действием весовой нагрузки переднего или заднего моста, стекает из силовых цилиндров 11 в бачок для масла 9, минуя масляный насос 3.

Применение на практике описанных в данном разделе устройств позволяет избежать отрицательных явлений, связанных с низкими тягово-сцепными и тормозными качествами мобильной техники, предотвратить возникновение ДТП, снизить напряженность труда при управлении машиной и, тем самым, повысить общий уровень безопасности оператора.