Принудительно блокируемый конический дифференциал транспортного средства
FORCIBLY LOCKED CONICAL DIFFERENTIAL OF VEHICLE

Изобретение относится к машиностроению, а именно к конструкциям дифференциальных передач и может быть использовано в трансмиссиях транспортных средств.
Известны различные конструкции дифференциалов, предназначенных для передачи крутящего момента от главной передачи к полуосям колесной пары ведущего моста транспортного средства.
Например, известен конический свободный дифференциал автомобиля ВАЗ 2121 [В.А. Вершигора, А.П. Игнатов и др. Альбом ВАЗ 2121, изд. "Третий Рим", 1996 г., стр. 34, Рис. 17]. Этот дифференциал позволяет ведущим колесам автомобиля вращаться с разной скоростью, что исключает проскальзывание одного из колес при повороте автомобиля или при его движении по неровному участку дороги, когда колеса проходят путь разной длины. Дифференциал имеет полуосевые конические шестерни, закрепленные на полуосях, и сателлиты, закрепленные на общей оси (пальце), установленной в корпусе, который прикреплён к охватывающей его ведомой шестерне главной передачи. Корпус дифференциала выполнен неразъемным и имеет фланец для установки ведомой шестерни. Для обеспечения возможности монтажа шестерён в корпусе выполнено два оппозитно расположенных окна. 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 надёжно работает, пока ведущие колёса неразрывно связаны с дорогой. Однако, когда одно из колёс оказывается в воздухе или на льду, то крутится именно это колесо, в то же время другое колесо, стоящее на твёрдом покрытии, останавливается и автомобиль перестаёт двигаться.
Также известны конструкции принудительно блокируемых дифференциалов, в которых элементы, осуществляющие блокирование, встроены в сам дифференциал. Например, в патенте на изобретение РФ №2548237, опубл. 20.04.2015 описан принудительно блокируемый дифференциал, который содержит корпус, цилиндрическое блокирующее кольцо, два основных сателлита, а также взаимодействующие с ними две полуосевые шестерни, в корпусе дополнительно установлены два блокирующих сателлита на общей оси, которая выполнена коленчатой, при этом диаметр блокирующих сателлитов меньше, чем диаметр основных сателлитов, а также дифференциал снабжен двухпозиционным фиксатором, средство перехода из режима ″свободного вращения″ в режим ″заблокировано″ выполнено в виде внешнего тормоза для блокирующего кольца, а внешний тормоз может быть электромагнитным колодочным тормозом, закрепленным на неподвижном корпусе редуктора. При этом управление осуществляется водителем, который с пульта управления автомобилем вводит блокирующие сателлиты в зацепление с основными сателлитами путём поворота блокирующего кольца.
Недостатком такой конструкции является то, что в момент включения блокировки возникает ударная нагрузка на шестерни, а также отсутствует возможность ограничения нагрузки в случае блокирования из-за отсутствия проскальзывания, поскольку две шестерни жестко блокируются третьей.
Также известна конструкция дифференциала повышенного трения, описанная в заявке WO2017/053421, опубл. 21.09.2016, в разъемном корпусе которого установлены сателлиты и полуосевые шестерни, одна из которых дополнительно связана с корпусом дифференциала через пакет фрикционных дисков, находящихся в нормально разомкнутом состоянии. Система снабжена механизмом активации блокирования дифференциала, который имеет фитинг для подвода рабочей жидкости под поршень, блокирующий работу дифференциала. Эта конструкция позволяет при необходимости полностью заблокировать дифференциал или заблокировать с определенным усилием, при превышении которого пакет фрикционных дисков начнет проскальзывать, давая возможность полуосевой шестерне вращаться относительно корпуса, в гидролинию механизма активации блокирования дифференциала через фитинг от гидравлического блока управления подается рабочая жидкость, перемещающая поршень, который через пластины скольжения и воздействует на стержни, которые сжимают пакет фрикционных дисков, замыкая полуосевую шестерню с корпусом дифференциала тем самым блокируя его. Гидравлический блок управления этой системы состоит из двигателя, соединенного с гидравлическим насосом, электрического клапана управления и датчика давления гидравлической жидкости, что позволяет быстро менять давление в гидравлической линии механизма активации блокирования дифференциала. Управляя давлением в гидролинии дифференциала можно быстро приводить его из свободного состояния в режим полной блокировки или частичной блокировки, при которой фрикционные диски проскальзывают, передавая на полуось ограниченный крутящий момент.
Достоинством данного механизма является возможность управлять крутящим моментом трансмиссии, распределяя его в нужном соотношении между колесами одной оси в процессе движения транспортного средства, что положительно сказывается на его управляемости и проходимости.
К недостаткам известной конструкции можно отнести большое количество деталей, подверженных износу: пакет фрикционных дисков, втулок и шайб скольжения, нажимных стержней. Эти детали расположены в редукторе главной передачи внутри корпуса классического конического дифференциала, который традиционно имеет небольшой по сравнению с колесами транспортного средства диаметр. По этой причине диаметр фрикционных дисков дифференциала не может быть значительным, а крутящий момент, который передается дифференциалом на полуоси транспортного средства больше чем в любом элементе трансмиссии транспортного средства. Малый размер фрикционных дисков, передающих большой крутящий момент неизбежно приведет к их быстрому износу, потребует применения специальных фрикционных смазок, вызывающих в свою очередь ускоренный износ подшипников и других деталей главной передачи.
Наиболее близкими к заявляемому техническому решению являются конструкции принудительно блокируемого конического дифференциала транспортного средства, описанные в патентах на изобретения РФ №2706622, опубл. 19.11.2019 и №2711320, опубл. 16.01.2020.
В патенте на изобретение РФ №2706622 описаны два варианта конструктивного исполнения принудительно блокируемого конического дифференциала транспортного средства.
В первом варианте исполнения дифференциал, имеющий в своем составе корпус с крышкой, в корпусе размещены полуосевые прямозубые конические шестерни, между шестернями установлена взаимодействующая с ними пара сателлитов, ось которых закреплена в отверстиях корпуса, при этом в крышке и в корпусе на внутренних торцевых поверхностях выполнено по кольцевой проточке, каждая из которых образует открытую камеру, в каждой камере установлен контактирующий с одной из полуосевых шестерен поршень с возможностью его осевого перемещения и силового воздействия на эту полуосевую шестерню, при этом обеспечивается возможность встречного перемещения шестерен и блокирования дифференциала, а на боковых поверхностях обоих поршней выполнены кольцевые проточки, в которых установлены уплотнительные кольца, при этом камера, выполненная в крышке, посредством первого канала сообщается с закрепленным на наружной поверхности крышки первым штуцером, а камера, выполненная в корпусе, посредством второго канала сообщается с закрепленным на наружной поверхности корпуса вторым штуцером, оба штуцера предназначены для подсоединения к системе управляемой подачи рабочей жидкости. Также между поршнями и полуосевыми шестернями дополнительно могут быть установлены шайбы скольжения.
Во втором варианте исполнения дифференциал, имеющий в своем составе корпус с крышкой, в корпусе размещены полуосевые прямозубые конические шестерни, между шестернями установлены взаимодействующие с ними сателлиты, при этом он содержит две пары сателлитов, установленных на крестовине, сочленение крышки и корпуса осуществляется по плоскости расположения геометрических осей крестовины, крестовина установлена в отверстиях, образованных сопрягаемыми между собой пазами, выполненными на встречно ориентированных открытых торцах крышки и корпуса, при этом в крышке и в корпусе на внутренних торцевых поверхностях выполнено по кольцевой проточке, каждая из которых образует открытую камеру, в каждой камере установлен контактирующий с одной из полуосевых шестерен поршень с возможностью его осевого перемещения и силового воздействия на эту полуосевую шестерню, при этом обеспечивается возможность встречного перемещения шестерен и блокирования дифференциала, а на боковых поверхностях обоих поршней выполнены кольцевые проточки, в которых установлены уплотнительные кольца, при этом камера, выполненная в крышке, посредством первого канала сообщается с закрепленным на наружной поверхности крышки первым штуцером, а камера, выполненная в корпусе, посредством второго канала сообщается с закрепленным на наружной поверхности корпуса вторым штуцером, оба штуцера предназначены для подсоединения к системе управляемой подачи рабочей жидкости. Также между поршнями и полуосевыми шестернями дополнительно могут быть установлены шайбы скольжения.
В вариантах конструктивного исполнения дифференциала по патенту РФ №2706622 за счёт уменьшения количества деталей, подверженных фрикционному износу повышается его долговечность.
Однако, такие конструкции имеют недостаток, заключающийся в том, что невозможно уменьшить габаритные размеры дифференциала при сохранении прочности его поршней, воспринимающих высокое давление рабочей жидкости.
В патенте на изобретение РФ №2711320 также описаны два варианта конструктивного исполнения принудительно блокируемого конического дифференциала транспортного средства.
В первом варианте исполнения дифференциал, имеющий в своем составе корпус с крышкой, в корпусе размещены полуосевые прямозубые конические шестерни, первая из которых расположена со стороны крышки, между шестернями установлены взаимодействующая с ними, пара сателлитов, ось которых закреплена в корпусе, при этом в крышке на торцевой поверхности,  обращенной  к корпусу,  выполнена кольцевая проточка, образующая открытую камеру, в которой установлен контактирующий с первой шестерней поршень с возможностью его продольного перемещения в сторону полуосевых шестерен и силового воздействия на первую полуосевую шестерню с обеспечением её перемещения в сторону второй шестерни, при этом ось сателлитов установлена в диаметрально расположенных 0-образных прорезях, выполненных в корпусе и ориентированных вдоль оси корпуса дифференциала, с возможностью параллельного смещения оси сателлитов в сторону второй полуосевой шестерни, при этом упомянутая камера посредством канала, выполненного в крышке, сообщается с закрепленным на наружной торцевой поверхности крышки штуцером, предназначенным для подсоединения к системе управляемой подачи  рабочей жидкости, а на боковых поверхностях поршня выполнены кольцевые проточки, в которых установлены уплотнительные кольца.
Во втором варианте исполнения дифференциал, имеющий в своем составе корпус с крышкой, в корпусе размещены полуосевые прямозубые конические шестерни, первая из которых расположена со стороны крышки, между шестернями установлены взаимодействующие с ними сателлиты, при этом он содержит две пары сателлитов, установленных на крестовине, сочленение крышки и корпуса осуществляется по плоскости расположения геометрических осей крестовины, крестовина установлена в 0-образных прорезях, ориентированных вдоль оси корпуса дифференциала и образованных сопрягаемыми между собой продольными U-образными пазами, выполненными на встречно ориентированных торцевых поверхностях в корпусе и в крышке, крестовина установлена с возможностью параллельного смещения в сторону второй полуосевой шестерни, при этом в крышке на торцевой поверхности, обращенной к корпусу, выполнена кольцевая проточка, образующая открытую камеру, в которой установлен контактирующий с первой шестерней поршень с возможностью его продольного перемещения в сторону полуосевых  шестерён и силового воздействия на первую полуосевую  шестерню с обеспечением ее перемещения в сторону второй шестерни, при этом упомянутая камера посредством канала, выполненного в крышке, сообщается с закрепленным на наружной торцевой  поверхности крышки штуцером, предназначенным для подсоединения к системе управляемой подачи рабочей жидкости, а на боковых поверхностях поршня выполнены кольцевые проточки, в которых установлены уплотнительные кольца.
В вариантах конструктивного исполнения дифференциала по патенту на изобретение РФ №2711320 за счёт уменьшения количества деталей, подверженных фрикционному износу также его повышается долговечность.
Однако, эти конструкции также имеют недостаток, заключающийся в невозможности уменьшения габаритов дифференциала при сохранении прочности его поршней, воспринимающих высокое давление рабочей жидкости.
Решаемой технической проблемой заявляемого изобретения является то, что известные конструкции дифференциалов не позволяют уменьшать их габаритные размеры без снижения прочности его основных нагруженных деталей, в частности поршней.
Техническим результатом заявляемого изобретения является упрощение конструкции, а также обеспечение возможности уменьшения габаритных размеров дифференциала при сохранении достаточной прочности его нагруженных деталей.
Заявленный технический результат достигается тем что, блокируемый конический дифференциал транспортного средства включает корпус, который может быть выполнен разъёмным и состоящим из двух частей, внутри корпуса установлены две полуосевые прямозубые конические шестерни, при этом, по меньшей мере одна из полуосевых шестерён имеет возможность продольного перемещения вдоль оси дифференциала, а также взаимодействующие с полуосевыми шестернями два или более сателлитов, оси которых установлены в отверстиях корпуса перпендикулярно к оси дифференциала, причём внутри корпуса выполнены одна или две ступенчатые проточки, в которые установлены хвостовые части соответствующих полуосевых шестерён, при этом хвостовые части подвижных шестерён выполнены в виде двухступенчатых цилиндров (если подвижна одна шестерня, только она имеет форму хвостовика в виде двуступенчатого цилиндра и снабжена уплотнениями), а на их боковых поверхностях выполнены кольцевые канавки, в которые установлены уплотнительные кольца. Таким образом, после сборки дифференциала, по меньшей мере, между хвостовой частью одной полуосевой шестерни и соответствующей ступенчатой проточкой формируется гидравлическая камера, присоединённая при помощи штуцера к системе управляемой подачи рабочей жидкости.
За счёт такой конструкции увеличивается прочность деталей, воспринимающих высокое давление рабочей жидкости, а также появляется техническая возможность уменьшения габаритных размеров дифференциала без существенного снижения прочности его самых нагруженных деталей.
Заявляемая конструкция принудительно блокируемого конического дифференциала транспортного средства может быть реализована в двух основных вариантах конструктивного исполнения.
Существенным отличием конструкции дифференциала по первому варианту исполнения является то, что только одна из двух полуосевых шестерён имеет возможность перемещения вдоль своей оси, при этом оси сателлитов установлены в 0-образных прорезях корпуса. Таким образом, за счёт возможности смещения осей сателлитов в 0-образных прорезях достигается возможность сжатия пакета шестерен и сателлитов в корпусе, исключающего нагрузку на оси сателлитов, что могло бы стать причиной их быстрого износа или поломки.
Существенным отличием конструкции дифференциала по второму варианту исполнения является то, что обе полуосевые шестерни имеют возможность перемещения вдоль своей оси, при этом оси сателлитов жестко установлены в круглых отверстиях корпуса, а две гидравлические камеры, образованные между хвостовыми частями обеих полуосевых шестерён и соответствующими ступенчатыми проточками, присоединены к системе управляемой подачи рабочей жидкости.
Заявляемые варианты конструктивного исполнения принудительно блокируемого конического дифференциала транспортного средства иллюстрируются изображениями.
На Фиг. 1 показана конструкция дифференциала по первому варианту его конструктивного исполнения;
На Фиг. 2 показана конструкция дифференциала по второму варианту его конструктивного исполнения;
На Фиг. 3 показана конструкция конической шестерни, имеющей хвостовую часть, выполненную в виде двухступенчатого цилиндра.
Принудительно блокируемый дифференциал транспортного средства по первому варианту исполнения (Фиг. 1) имеет корпус 1, в котором установлены две полуосевые прямозубые конические шестерни 2 и 3, при этом только одна из двух полуосевых шестерён имеет возможность перемещения вдоль своей оси, а оси сателлитов 4 установлены в 0-образных прорезях 5, а также на внутренней торцевой поверхности корпуса 1 выполнена ступенчатая проточка 6, которая с помощью штуцера 7 присоединена к системе управляемой подачи рабочей жидкости, причём соответствующая хвостовая часть 8 подвижной полуосевой шестерни 2 или 3, входящей в эту ступенчатую проточку 6 выполнена в виде двухступенчатого цилиндра. Таким образом образуется гидравлическая камера, герметичность которой обеспечивается за счёт выполнения на боковой поверхности каждой ступени двухступенчатого цилиндра хвостовой части 8 соответствующей прямозубой конической шестерни 2 или 3, кольцевых канавок 9, в которые установлены уплотнительные кольца 10.
По второму варианту конструктивного исполнения дифференциала (Фиг. 2) обе прямозубые конические шестерни 2 и 3 имеют возможность продольного перемещения вдоль своей оси, при этом взаимодействующие с ними сателлиты 4 своими осями установлены в круглых отверстиях, выполненных в корпусе 1, а также на обеих внутренних торцевых поверхностях корпуса 1 выполнены ступенчатые проточки 6, которые при помощи штуцеров 7 присоединены к системе управляемой подачи рабочей жидкости, причём хвостовые части 8 обеих полуосевых шестерён 2 и 3 входят в соответствующие ступенчатые проточки 6, тем самым образуя две гидравлические камеры, герметичность которых обеспечивается за счёт выполнения на боковых поверхностях хвостовых частей 8 кольцевых канавок 9, в которые установлены уплотнительные кольца 10.
На Фиг. 3 показана конструкция полуосевой конической шестерни 2 или 3, которая имеет хвостовую часть 8, выполненную в виде двухступенчатого цилиндра, при этом на боковых поверхностях каждой ступени цилиндра выполнены кольцевые канавки 9, предназначенные для установки в них уплотнительных колец.
Система управляемой подачи рабочей жидкости в дифференциал не является объектом настоящего изобретения, а потому её чертеж не приводится. Эта система состоит из гидравлического блока, который служит источником гидравлической жидкости высокого давления, гидравлической линии и специальной муфты для подвода гидравлической жидкости к вращающемуся в редукторе транспортного средства дифференциалу, при этом гидравлический блок управляется бортовым компьютером автомобиля.
Заявляемая конструкция принудительно блокируемого дифференциала транспортного средства работает следующим образом.
Во время работы дифференциала в свободном (разблокированном) режиме система управляемой подачи рабочей жидкости не создает давления в гидравлической линии, присоединенной к дифференциалу.
По сигналу бортового компьютера автомобиля, система управляемой подачи рабочей жидкости начинает создавать давление в гидравлической линии, присоединенной к дифференциалу. Под действием гидростатического напора рабочая жидкость через штуцеры 7 поступает в одну или две гидравлические камеры, образованные ступенчатыми проточками 6, выполненными в корпусе 1, и в которые вставлены соответствующие хвостовые части 8 подвижных одной или двух полуосевых шестерён 2 и/или 3, при этом полуосевые шестерни 2 и 3 начинают сближаться, а сила давления рабочей жидкости прижимает сателлиты 4 к корпусу 1 в радиальном направлении. В конечной точке полуосевые шестерни 2 и 3 оказываются максимально прижатыми друг к другу через сателиты, а сателлиты 4 прижатыми к корпусу 1, в результате чего, лишенная рабочего зазора зубчатая передача заклинивается и дифференциал блокируется.
После прекращения подачи рабочей жидкости осевые силы, возникающие при работе дифференциала, возвращают сателлиты 4 и полуосевые шестерни 2 и 3 в исходное положение, при этом восстанавливаются рабочие зазоры зубчатой передачи, и дифференциал разблокируется.
В том случае, когда по команде бортового компьютера автомобиля, гидравлические камеры остаются под определённым, заранее заданным, давлением, дифференциал находится в режиме ограниченного блокирования. В этом режиме полуосевые шестерни могут прийти во вращение только преодолев силу заранее заданного давления рабочей жидкости. Таким образом, изменяя давление рабочей жидкости, можно регулировать величину крутящего момента, при котором дифференциал остается заблокированным. Возможность управления крутящим моментом, передаваемым дифференциалом на полуоси транспортного средства во время движения положительно сказывается на управляемости и проходимости автомобиля, а ограничение предельных сил, действующих на конические шестерни дифференциала с помощью ограничения максимального давления в гидравлической системе, предохраняет механизм от поломок из-за его перегрузки, тем самым повышает его надежность.
Таким образом, за счёт того, что полуосевые прямозубые конические шестерни имеют цилиндрические выступы, выполняющие функцию поршней, упрощается конструкция дифференциала и увеличивается прочность деталей, передающих рабочую нагрузку, что в случае необходимости также позволяет уменьшить габаритные размеры дифференциала без существенного уменьшения прочности его основных нагруженных деталей.
2
С целью проверки работоспособности предлагаемой конструкции принудительно блокируемого конического дифференциала, были изготовлены их опытные образцы и испытаны как на динамометрическом стенде, так и на реальном автомобиле – внедорожнике. В результате испытаний выявлено, что переход дифференциала из свободного состояния в заблокированное может происходить в любом диапазоне рабочих оборотов трансмиссии, в том числе в режиме разнонаправленного вращения полуосевых шестерен (в режиме пробуксовки, когда одно колесо неподвижно, а второе вращается). Этот процесс происходит мягко, бесступенчато и быстро, так как перемещение поршней невелико (в зависимости от размера и типа дифференциала составляет от 0.5 мм у легкового автомобиля до 2 мм у дифференциала грузовика). Диапазон давлений в гидравлической линии управления, необходимых для блокирования дифференциала с силой сравнимой с мощностью, развиваемой трансмиссией автомобиля, находится в диапазоне 100-160 кг/см. Такие давления используются в тормозной системе современного автомобиля, в том числе и в автоматических системах помощи водителю (система курсовой устойчивости, антиблокировочная система и т.д.). Переход из заблокированного состояния в свободное, происходит при сбросе давления в линии управления так же быстро и мягко.
В результате проведенных полевых испытаний была подтверждена высокая работоспособность заявляемой конструкции и её соответствие заявленному техническому результату.