УСТРОЙСТВО АВТОМАТИЧЕСКОЙ БЛОКИРОВКИ ДИФФЕРЕНЦИАЛА МОБИЛЬНЫХ КОЛЕСНЫХ МАШИН

Полезная модель относится к транспортному машиностроению и может использоваться в трансмиссиях колесных машин для распределения крутящего момента между колесами машин сельскохозяйственного назначения.
Известно, что раздельное буксование ведущих колес происходит из-за наличия дифференциалов в трансмиссиях колесных машин. Дифференциалы работают нормально до тех пор, пока сцепление ведущих колес с дорогой выше сил сопротивления качению. При попадании одного из ведущих колес на скользкий участок пути машина движется с пробуксовкой, так как ее тяговые свойства определяются условиями сцепления ведущего колеса с дорожным покрытием.
Известна трансмиссия мобильной колесной машины сельскохозяйственного назначения, содержащая простой шестеренчатый дифференциал с двумя степенями свободы, служащий для распределения усилия по выходным валам и обеспечения их вращения с различной угловой скоростью (см. Гуревич А.М., Сорокин Е.М., "Тракторы и автомобили", М., Колос, 1970 г.). Увеличение тягово-сцепных свойств в известной колесной машине осуществляется путем блокировки дифференциала, ликвидирующей или уменьшающей разницу угловых ускорений ведущих колес. Однако ограничение угловых ускорений ведущих колес увеличением внутреннего трения в дифференциале не только
снижает долговечность этого механизма, но и ухудшает устойчивость, маневренность и экономичность машины.
В условиях плохих дорог и бездорожья (снег, грязь, песок, размокшие поля, косогорье) шестеренчатый дифференциал является причиной снижения производительности колесных машин, ухудшения проходимости и топливной экономичности, а также приводит к технологическим отказам вследствие буксования ведущих колес.
Для повышения тягового усилия колесной машины нужно заблокировать дифференциал и тем самым ликвидировать или уменьшить разницу в угловых скоростях полуосей ведущих колес.
Полная или частичная блокировка может быть достигнута при помощи специальных механизмов, установленных в дополнение к обычному дифференциалу или вместо него.
Известны устройства блокирования с полной блокировкой дифференциала мобильных колесных машин, содержащие механизм принудительной блокировки, выполненный, например, в виде муфты (см. «Повышение эффективности функционирования функциональной системы «дифференциал - пневматический колесный движитель - несущая поверхность» мобильных машин сельскохозяйственного назначения»: Дис. докт. техн. наук. Челябинск, 1999 г., с.319).
Анализ механизмов блокировки показывает, что в основном приведенные схемы сложны по конструкции, обеспечивают небольшой ресурс работы механизмов, в которых преобладает внутреннее трение. Механизмы обеспечивают малый КПД.
Известен самоблокирующийся дифференциал, содержащий разъемный корпус, полуосевые шестерни, связанные с сателлитами, установленными на крестовине, размещенной в корпусе, а также -
муфты свободного хода, связанные с сателлитами и крестовиной дифференциала, содержащими наружную обойму, выполненную в виде звездочки, и ролики, установленные в сепараторе, связанным с наружной обоймой пружиной, выбранный заявителем в качестве ближайшего аналога (см. свидетельство РФ №14895 на полезную модель «Самоблокирующийся дифференциал», М.Кл.7: В 60 К 17/00, опубл. 10.09.2000 г.).
В известном самоблокирующемся дифференциале блокировка наступает при попадании роликов в положение заклинивания между наружной обоймой и шипом крестовины дифференциала.
При движении колесной машины по дорогам с твердым покрытием, когда отсутствует буксование ведущих колес, дифференциал работает как простой шестеренчатый дифференциал. Пружина наружной обоймы не позволяет сепаратору повернуться до положения заклинивания роликов. Жесткость пружины подбирается так, чтобы предотвратить поворот сепаратора до положения заклинивания роликов при движении машины на повороте, по неровной дороге и разгоне максимальной интенсивности. При попадании одного из ведущих колес на скользкий участок дороги оно получает приращение углового ускорения и через полуосевую шестерню увеличивает угловое ускорение сателлитов дифференциала, а вместе с ним угловое ускорение наружных обойм механизма. Консольные пружины под действием сил инерции сепараторов и роликов деформируются. Сепараторы поворачиваются и ролики попадают в положение заклинивания. Дифференциал при этом блокируется. Расклинивание механизмов наступает при небольшом перемещении полуоси колеса, вызвавшего блокировку дифференциала, по отношению к сателлитам в направлении расклинивания.
Недостатками известного самоблокирующегося дифференциала, выбранного в качестве прототипа, являются:
- недостаточное быстродействие блокировки дифференциала;
- сложность конструкции;
- небольшой ресурс работы.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является устранение указанных недостатков прототипа, а именно:
- повышение быстродействия блокировки дифференциала;
- упрощение конструкции;
- увеличение ресурса работы;
- повышение надежности работы.
Устройство автоматической блокировки дифференциала ведущих колес при интенсивном торможении существенно влияет на перераспределение тормозных усилий по ведущим колесам, улучшая тормозную динамику машины.
Технический результат достигается тем, что в устройстве автоматической блокировки дифференциала мобильных колесных машин, содержащем разъемный корпус, полуосевые шестерни, сателлиты, установленные на крестовине, муфты свободного хода, согласно полезной модели, муфты установлены на хвостовиках полуосевых шестерен дифференциала и содержат нажимные диски с радиальными ребрами и посаженные на ступицы нажимных дисков блокирующие диски с выполненными на них радиальными пазами, а также с возможностью контакта их поверхностей с внутренней поверхностью корпуса дифференциала во время блокировки колес, муфты также содержат силовые пружины, размещенные на хвостовиках нажимных дисков и контактирующие одним концом с блокирующим диском, а другим с корпусом дифференциала.
Кроме того, в устройстве автоматической блокировки дифференциала мобильных колесных машин радиальные ребра нажимного и радиальные пазы блокирующего дисков имеют эллипсную конфигурацию.
Сущность заявленной полезной модели поясняется чертежами.
На фиг.1 изображена принципиальная схема устройства автоматической блокировки дифференциала мобильных колесных машин.
На фиг.2 изображен эскиз профилей нажимного и блокирующего дисков устройства автоматической блокировки дифференциала мобильных колесных машин.
На фиг.3 показан график зависимости угловых ускорений колеса от разницы коэффициентов сцепления.
Устройство автоматической блокировки дифференциала мобильных колесных машин содержит разъемный корпус 1, полуосевые шестерни 1, связанные с сателлитами 3, установленные на крестовине 4, размещенной в корпусе 1, муфты 5 свободного хода.
Муфты 5 установлены на хвостовиках полуосевых шестерен 2 дифференциала и содержат нажимные диски 6 с радиальными ребрами и посаженные на ступицы нажимных дисков 6 блокирующие диски 7 с выполненными на них радиальными пазами. Блокирующие диски 7 установлены с возможностью контакта их поверхностей с внутренней поверхностью корпуса 1 дифференциала во время блокировки колес. Муфты 5 также содержат витые силовые пружины 8, размещенные на хвостовиках нажимных дисков 6 и контактирующие одним концом с блокирующим диском 7, а другим с корпусом 1 дифференциала.
Блокирующий диск 7, посаженный на ступицу нажимного диска 6, находится с последним в постоянном зацеплении. Постоянное зацепление дисков 6 и 7 осуществляется радиальными ребрами и пазами. Силовая витая пружина 8 постоянно удерживает диски в сомкнутом состоянии.
Устройство автоматической блокировки работает следующим образом.
Все детали устройства автоматической блокировки вращаются с одинаковой угловой скоростью шестерни полуоси.
Конструкция автоматической блокировки дифференциала мобильных колесных машин работает на принципе ограничения угловых ускорений полуосей дифференциала тангенциальными силами инерции.
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.
-2
Нажимной диск (буксующего колеса), получив приращение углового ускорения (ε=10...25с), 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 сателлитам в направлении расклинивания.
Используемое для блокировки дифференциала устройство автоматической блокировки дифференциала способно блокироваться только при заданной величине углового ускорения ведущего колеса, определяющей чувствительность блокирующего механизма и продолжительность действия углового ускорения колеса.
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.
Ускорения, возникающие при поворотах колесной машины и разгоне максимальной интенсивности остаются за порогом чувствительности устройства блокировки. Угловое ускорение ведущих колес при разгоне максимальной интенсивности на пределе сцепления колес с дорогой может быть определено по формуле
где g - ускорение свободного падения; γ - коэффициент загрузки ведущих колес массой автомобиля; φ -коэффициент сцепления; δ -
к
коэффициент учета вращающихся масс автомобиля; r - радиус деформированного колеса.
Максимальное угловое ускорение ведущего колеса, вызываемое поворотом автомобиля при постоянной скорости движения последнего, может быть определено из уравнения
к
где ν - скорость центра задней оси автомобиля; R - минимальный радиус поворота центра задней оси; В - средняя ширина колеи ведущих колес; t - время поворота рулевого колеса в крайнее положение; r - радиус качения ведущего колеса.
к
n
2
Угловое ускорение ведущего колеса при интенсивном повороте, подсчитанное по формуле (2) для автомобиля ЗИЛ-130 при ν=9 км/ч; В=1,650 м; r=0,436 м; R=5,89 и t=0,5 составило: ε=1,7 рад/с.
При буксовании максимальная величина углового ускорения, как и при отрыве ведущего колеса от дороги, ограниченная подведенным крутящим моментом двигателя, находится по формулам (3, 4)
пр
где J - приведенный к ведущему колесу суммарный момент инерции вращающихся частей двигателя, трансмиссии и ведущего колеса
пр
д
к
J=(J+λ)ηmimJ;
m
min
m
k
i - общее передаточное число трансмиссии от двигателя до раздельно раскручивающегося колеса; М- крутящий момент двигателя; λ - коэффициент неустановившегося режима работы; ξ - коэффициент внутреннего трения в дифференциале; φ -коэффициент сцепления буксующего колеса; η - КПД трансмиссии; J - момент инерции ведущего колеса.
Необходимо отметить, что на величину угловых ускорений большое влияние оказывает разность коэффициентов сцепления Δφ между ведущими колесами. Эта разность может быть представлена уравнением (5)
Анализ этого уравнения показывает, что величина ускорения пропорциональна разности коэффициентов сцепления и, кроме этого, зависит от передачи, на которой работает колесная машина.
0
m
Значения угловых ускорений для ведущего колеса автомобиля ЗИЛ-130 при отрыве от дороги ε и при буксовании на льду при λ=0,25; М=205 Н·м; ξ=0,04; η=0,85...0,93 приведены в таблице.
Таблица
ε, рад/с<sup>2</sup>
С грузом
Без груза
Передачи
1
2
3
4
5
1
2
3
4
5
Отрыв от дороги
129
85
545
37,6
28,6
129
85
54,5
37,6
31,2
буксование на льду
100,5
46,4
29,2
-
-
117,3
70,5
37,5
28,9
25,6
зак
n
2
Зона рекомендуемых значений чувствительности блокирующего механизма к заклиниванию по угловым ускорениям ведущего колеса должна определяться условием ε≥ε+φε, для автомобиля ЗИЛ-130 она составляет 10...25 рад/с.
Приведенные данные показывают, что предложенное устройство автоматической блокировки дифференциала мобильных колесных машин не может включиться при поворотах автомобиля и разгоне максимальной интенсивности, что обеспечивает нормальную работу дифференциала в указанных режимах работы колесной машины.