ДИФФЕРЕНЦИАЛ ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА
VEHICLE DIFFERENTIAL

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 прямолинейной траектории 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 по патенту RU 2465499. Дифференциал содержит корпус, в котором размещена ось с двумя основными сателлитами и взаимодействующие с ними две полуосевые шестерни, закрепленные на колесных полуосях. В корпусе также размещены два блокирующих сателлита, закрепленных на общей собственной оси, при этом диаметр блокирующих сателлитов меньше, чем диаметр основных сателлитов, и оба блокирующих сателлита находятся в постоянном зацеплении с одной из полуосевых шестерен. Ось блокирующих сателлитов перпендикулярна колесным полуосям, то есть перпендикулярна оси симметрии дифференциала, и ее концы размещены в диаметрально расположенных окнах, выполненных в корпусе. Ось блокирующих сателлитов снабжена средством, ограничивающим ее угол поворота, выполненным в виде блокирующей муфты - цилиндрического кольца, свободно охватывающего цилиндрическую часть корпуса с обеспечением возможности осевого перемещения вдоль корпуса. Блокирующая муфта снабжена фигурными окнами для прохода оси блокирующих сателлитов. Каждая прорезь имеет, в основном, форму равнобедренной трапеции. Ось блокирующих сателлитов ограничена в перемещении высотой окна корпуса или осью основных сателлитов. Осевое перемещение блокирующей муфты обеспечивает рычаг управления, который позволяет водителю транспортного средства дистанционно управлять дифференциалом при его работе (вращении). В таком исполнении дифференциал в зависимости от положения рычага управления может быть приведен в состояние автоматической блокировки или будет работать классическим (свободным) образом.
Основным недостатком прототипа является его недостаточно высокая надежность.
Дифференциал по прототипу может работать в двух режимах, дистанционно задаваемых водителем - режим свободного вращения и режим самоблокирования.
В режиме самоблокирования, дифференциал автоматически блокируется при начале вращения полуосевых шестерен и связанных с ними колес с разными скоростями. Процесс блокирования связан с перемещением оси блокирующих сателлитов на некоторый угол, необходимый для ввода блокирующих сателлитов в зацепление с основными сателлитами. При движении автомобиля в режиме самоблокирования по криволинейной траектории или по грунту с разными коэффициентами трения (лед то под правым колесом, то под левым) дифференциал будет постоянно срабатывать, блокирующая ось будет находится в движении, а блокирующие сателлиты постоянно будут замыкаться и размыкаться с основными сателлитами.
Таким образом, в определенных неблагоприятных условиях движение автомобиля будет сопровождаться рывками и ударами, а при высоких скоростях движения это может спровоцировать занос и даже поломку механизма.
Задача, решаемая изобретением, - повышение надежности работы устройства.
Достигаемый технический результат - обеспечение принудительного блокирования без проскальзывания - за счет того, что в режиме жесткой блокировки блокирующие сателлиты постоянно находятся в зацеплении с соответствующими шестернями, что исключает возникновения ударных нагрузок при переходе из одного режима в другой.
Поставленная задача решается изменением конструкции. Заявляемый дифференциал принудительного блокирования имеет корпус, в котором размещена ось с основными сателлитами и взаимодействующие с ними полуосевые шестерни, а также блокирующие сателлиты, закрепленные на собственной оси. Диаметр блокирующих сателлитов меньше, чем диаметр основных сателлитов, ось блокирующих сателлитов перпендикулярна оси вращения дифференциала и ее концы проходят через диаметрально расположенные окна корпуса. Дифференциал имеет также цилиндрическое блокирующее кольцо, установленное на корпусе коаксиально его цилиндрической части.
От прототипа отличается тем, что ось блокирующих сателлитов выполнена коленчатой (состоит из двух параллельных друг другу полуосей). Концы оси блокирующих сателлитов закреплены на цилиндрическом блокирующем кольце, которое установлено с обеспечением возможности осевого вращения относительно корпуса. При этом каждый из блокирующих сателлитов установлен с обеспечением возможности взаимодействия с одной из полуосевых шестерен. Цилиндрическое блокирующее кольцо снабжено двухпозиционным фиксатором, фиксирующим его относительно корпуса в двух положениях, - режим «свободное вращение дифференциала» и режим «заблокировано», а также снабжено средством перехода из одного из указанных положений в другое.
Двухпозиционный фиксатор может быть выполнен в виде подпружиненного шарика, взаимодействующего двумя ответными лунками на торцевой части цилиндрического блокирующего кольца. В предпочтительном варианте исполнения двухпозиционный фиксатор выполнен в виде подпружиненного штифта с полусферой на конце, которая взаимодействует с лунками.
Средство перехода из одного из указанных положений в другое выполнено в виде внешнего тормоза, например ленточного, или предпочтительно, электромагнитного колодочного.
Для того чтобы лучше продемонстрировать отличительные особенности изобретения, в качестве примера, не имеющего какого-либо ограничительного характера, ниже описан предпочтительный вариант реализации.
Пример реализации иллюстрируется Фигурами, на которых представлено:
Фиг.1 - дифференциал, внешний вид (схематично), реализация с двухпозиционным штифтовым подпружиненным фиксатором и внешним тормозом в виде электромагнитной колодки.
Фиг.2 - элементы, расположенные внутри корпуса дифференциала (схема с пространственным разделением).
Принудительно блокируемый дифференциал содержит корпус 1, на который коаксиально его цилиндрической части свободно надето цилиндрическое блокирующее кольцо 2 с возможностью осевого вращения относительно корпуса. Для наглядности корпус 1 на Фиг.2 нарисован разорванным в поперечной плоскости. В корпусе 1 размещена ось 3 с двумя основными сателлитами 4 и взаимодействующие с ними две полуосевые шестерни 5 и 6, закрепленные на колесных полуосях 7. В корпусе также размещены два блокирующих сателлита 8, закрепленных на общей оси 9, при этом диаметр блокирующих сателлитов 8 меньше, чем диаметр основных сателлитов 4. Шестерни и сателлиты выполнены коническими.
Общая ось 9 блокирующих сателлитов 8 выполнена коленчатой. Она состоит из двух параллельных друг другу полуосей, смещенных относительно друг друга в продольной осевой плоскости дифференциала с образованием  - образной формы, что обеспечивает зацепление каждого из блокирующих сателлитов только с одной полуосевой шестерней и зазор - с другой полуосевой шестерней.
Полуоси, образующие ось 9, перпендикулярны колесным полуосям 7, то есть перпендикулярны оси продольной симметрии дифференциала. Концы коленчатой оси 9 проходят через диаметрально расположенные окна 10 в корпусе 1 и закреплены на блокирующем кольце 2 с помощью резьбовых элементов 11, ввинчиваемых в торцы оси 9 через соответствующие отверстия (со смещением по продольной оси дифференциала) в блокирующем кольце 2. Концы оси 3 установлены в отверстиях корпуса 1. Взаимное перемещение оси 3 основных сателлитов и оси 9 блокирующих сателлитов обеспечено пазами 12, выполненными в осях. Установка внутренних элементов в неразъемном корпусе осуществляется через окна 10, размер которых определяется, исходя из размеров шестерен и осей.
Дифференциал способен функционировать в двух режимах - ″свободное вращение″ и ″заблокировано″. Для этой цели он снабжен двухпозиционным фиксатором. Двухпозиционный фиксатор может быть выполнен любым приемлемым способом, например в форме шарикового фиксатора (подпружиненный шарик, установленный в лунке на фланце корпуса). С учетом того, что при эксплуатации дифференциал испытывает значительные колебательные нагрузки целесообразно использовать штифт 13 с полусферой на рабочем конце. Штифт 13 установлен в продольном отверстии в корпусе 1, выполненном на его фланце (показано на Фиг.1). Штифт 13 установлен на пружине 14, что обеспечивает его осевое перемещение. Ответной частью является фигурный паз 15 волнообразной формы, выполненный на торце цилиндрического блокирующего кольца 2. Впадины паза 15 образуют посадочные лунки.
Средство перехода из режима ″свободного вращения″ в режим ″заблокировано″ может быть выполнено любым приемлемым образом, например в виде внешнего тормоза для блокирующего кольца, который приводится в действие по команде управления, подаваемой водителем транспортного средства.
Внешний тормоз может быть выполнен ленточным (лента охватывает блокирующее кольцо и приводится в режим торможения путем натяга с помощью рычажной или электромагнитной системы) или может быть электромагнитным колодочным тормозом 16 (см. Фиг.1), закрепленным на неподвижном корпусе редуктора.
Дифференциал работает следующим образом.
Возможно функционирование дифференциала в двух режимах:
- Режим «свободное вращение дифференциала».
В этом режиме блокировка выключена, внешний тормоз обесточен и его колодка отстоит от наружной поверхности блокирующего кольца с обеспечением зазора, и дифференциал работает, допуская вращение полуосей 7 (а, соответственно, колес) с разными скоростями. При этом сферическая головка стержня 13 заглублена в одну из лунок паза 15.
- Режим ″заблокировано″. В этом режиме полуоси 7 вращаются с корпусом дифференциала 1 как одно целое.
Переход из одного режима в другой осуществляется поворотом блокирующего 2 кольца относительно корпуса 1 дифференциала на задаваемый фиксатором (конфигурацией фигурного паза 15) угол. Для этого водитель должен привести транспортное средство в движение с одновременным кратковременным включением электромагнитного тормоза 16, подачей соответствующего сигнала с пульта управления (сигнал ручного управления). При кратковременном взаимодействии блокирующего кольца 2 с колодкой тормоза кольцо 2 поворачивается на заданный угол относительно корпуса 1 дифференциала в сторону, противоположную вращению корпуса дифференциала, вызванного движением транспортного средства.
При этом подпружиненный штифт 13, проскальзывая сферической головкой по поверхности паза 15, попадает во вторую лунку и фиксирует блокирующее кольцо 2 в этом положении, препятствуя его случайным перемещениям от вибрации и инерционных моментов, возникающих при движении транспортного средства, и ″несанкционированному″ переходу из одного режима в другой.
В режиме ″свободное вращение дифференциала» блокирующее кольцо 2 вместе с закрепленной на нем коленчатой осью 9 и блокирующими сателлитами 8 зафиксировано на корпусе 1 дифференциала при помощи штифта 13 в таком положении, что между блокирующими сателлитами 8 и рабочими сателлитами 4 есть зазор, допускающий их вращение друг относительно друга. При этом блокирующие сателлиты 8 находятся в зацеплении только с полуосевыми шестернями 5 и 6. При движении транспортного средства по прямой и при одинаковых силах сцепления колес вращение корпуса 1 передается основными сателлитами 4 (через закрепленную на корпусе ось 3) полуосевым шестерням 5 и 6 и, соответственно, полуосям 7, вращающим колеса.
При повороте транспортного средства полуосевые шестерни 5 и 6, благодаря основным сателлитам 4, начинают вращаться в корпусе 1 в противоположные относительно корпуса дифференциала 1 стороны. Блокирующие сателлиты 8, находясь в зацеплении каждый только с одной полуосевой шестерней, начинают вращаться на коленчатой оси 9, закрепленной в блокирующем кольце 2 винтами 11, не препятствуя этому.
При работе в режиме ″заблокировано″ блокирующее кольцо 2 повернуто относительно корпуса 1 дифференциала на заданный формой паза 15 угол, блокирующие сателлиты 8, находясь в зацеплении со своими полуосевыми шестернями 5 и 6, входят в зацепление с основными сателлитами 4. Каждый блокирующий сателлит 8, находясь в зацеплении со своей полуосевой шестерней и со своим основным сателлитом, исключает возможность взаимного вращения шестерен только в одну сторону - навстречу друг другу. Благодаря тому, что ось блокирующих сателлитов 9, выполнена коленчатой, один блокирующий сателлит не допускает взаимное вращение полуосевых шестерен в одну сторону, а второй блокирующий сателлит - в другую. В этом положении исключается возможность вращения полуосевых шестерен относительно корпуса 1 в обе стороны. При повороте блокирующего кольца механизм как бы ″заклинивается″, обе полуоси 7 начинают работать как единая неразрезная ось независимо от направления вращения корпуса дифференциала направления сил действующих на полуоси (колеса).
Таким образом, заявляемый дифференциал по команде водителя (ручное управление) переходит из свободного режима симметричного конического дифференциала в режим блокирования без проскальзывания - режим, когда обе полуоси не имеют возможности взаимного поворота и работают как единая ось.
Это позволяет водителю лучше прогнозировать поведение автомобиля и повышает безопасность при управлении. Надежность работы, ресурс механизма увеличен благодаря отсутствию ударных нагрузок на блокирующие сателлиты. В режиме жесткой блокировки блокирующие сателлиты постоянно находятся в зацеплении с соответствующими шестернями, тогда как в прототипе блокирующие сателлиты способны входить и выходить из зацепления для осуществления блокирования.
Легкость перехода механизма из одного режима в другой обусловлена одновременным использованием сил движущих автомобиль (вращение трансмиссии) и дистанционного электромагнитного тормоза. Это позволило упростить механизм управления блокируемого дифференциала.
Простейший механизм фиксации положения блокирующего кольца, определяющий режим работы механизма, исключает возможность его «недовключения» и самопроизвольного изменения режима работы из-за инерционных и динамических нагрузок, возникающих при движении автомобиля.
В заявляемом механизме водитель сам по команде с пульта управления автомобилем вводит блокирующие сателлиты в зацепление с основными (при включении) поворотом блокирующего кольца. При движении автомобиля блокирующие сателлиты, уже находясь в зацеплении, препятствуют вращению полуосевых шестерен без холостого перемещения и соответственно без удара. Ударная нагрузка, характерная для прототипа, вызванная автоматическим перемещением блокирующих сателлитов в режиме самоблокирования, в заявленной конструкции исключена.