ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ МЕХАНИЗМ ДЛЯ ПРИВОДА КОЛЕС ИЛИ МОСТОВ ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА
AUTOMOTIVE WHEEL OR AXLE DRIVE DIFFERENTIAL MECHANISM

Изобретение относится к области механических трансмиссий автомобилей или колесных тракторов, в частности к механическим дифференциалам с регулируемым в процессе движения перераспределением крутящих моментов между выходными валами в зависимости от нагрузок на элементы движителя - колеса или мосты, а также от условий их взаимодействия с опорной поверхностью.
Известны конструкции симметричных цилиндрических дифференциалов, представляющих собой элементы двух планетарных рядов в виде прямозубых солнечных шестерен и их сателлитов, связанных внутри корпуса-водила между рядами в виде пар с постоянным зацеплением [1].
Главный недостаток данных дифференциалов состоит в том, что на участках поверхности с разными коэффициентами сцепления (например, лед - асфальт) в силу симметричности распределяемого крутящего момента происходит буксование того элемента движителя, который имеет избыточную подведенную мощность. Для повышения эффективности элементов движителя, сохранившего хорошие сцепные качества, в трансмиссиях с симметричными дифференциалами обычно используется система курсовой стабилизации ESP, в основе которой лежит снижение тяговых усилий путем частичного торможения буксующих колес, однако это снижает суммарное тяговое усилие. Применяются также симметричные цилиндрические дифференциалы с частичной или полной самоблокировкой (осуществляемой, например, за счет трения торцов их косозубых сателлитов о корпус-водило), что не позволяет полностью реализовать крутящий момент, подводимый от силовой установки, приводит к ухудшению управляемости автомобиля, а также к циркуляции мощности в трансмиссии, снижая тем самым ее КПД.
Наиболее близким устройством к заявленному изобретению по технической сущности и достигаемому результату является принятый в качестве прототипа дифференциальный механизм типа DPC (Dynamic Performance Control) фирмы «BMW» с управляемым электроникой принудительным перераспределением крутящего момента между колесами, имеющими разную степень сцепления с дорожным покрытием.
Дифференциальный механизм содержит размещенную в картере главную передачу, выполненную в виде ведущей и ведомой зубчатых шестерен. При этом ведомая шестерня выполнена в виде корпуса-водила с расположенными в нем сателлитами, закрепленными на крестовине дифференциала и находящимися в зацеплении с шестернями выходных валов. С корпусом-водилом слева и справа скреплены солнечные шестерни, принадлежащие планетарным коробкам передач. Каждая из солнечных шестерен взаимодействует через свой сателлит с сателлитом другой солнечной шестерни. Последняя закреплена на выходном левом или правом валу механизма. Каждая планетарная коробка передач дополнена фрикционной муфтой управления, состоящей из взаимодействующих между собой дисков, закрепленных на внутреннем и внешнем барабанах.
Причем внутренний барабан установлен с возможностью его вращения вокруг выходного вала и солнечных шестерен совместно с их сателлитами, а наружный - неподвижен, так как совмещен с неподвижным корпусом картера дифференциального механизма [2].
Главный недостаток прототипа заключается в том, что после включения внешним командным устройством любой фрикционной муфты образуется дополнительная кинематическая связь между корпусом-водилом и выходным валом, поэтому устройство переходит в состояние замкнутого дифференциального механизма, у которого вместо двух остается только одна степень свободы. При этом передаточное отношение между выходными валами дифференциала является фиксированным вне зависимости от радиуса поворота автомобиля. В результате происходит циркуляция мощности между выходными валами дифференциала в случае любого, отличного от расчетного, радиуса поворота даже при движении по горизонтальной плоскости. По этой причине бортовому компьютеру приходится подавать команды управления с частотой 80…100 мс не только фрикционным муфтам планетарной коробки передач, но также тормозным механизмам всех остальных колес. Это вызывает повышенный износ поверхностей трения из-за их почти непрерывной пробуксовки, а также увеличение динамических нагрузок на трансмиссию и силовые элементы управления, так как компенсация потерь, вызванных работой данной системы, производится за счет дополнительного увеличения мощности двигателя. Другим недостатком принятого в качестве прототипа устройства является практически непрерывное микропроцессорное управление параметрами трансмиссии и тормозной системы за счет подачи высокочастотных импульсов, что связано с необходимостью обеспечить при повороте необходимую среднюю угловую скорость каждому из колес автомобиля. И, наконец, фрикционными муфтами, установленными в прототипе, конструктивно не осуществимы функции как абсолютной блокировки дифференциала, например, из-за потери каким-либо колесом контакта с опорной поверхностью, так и ведомый режим работы элемента движителя, например, отключаемого ведущего моста.
Технической задачей, решаемой изобретением, является организация перераспределения крутящих моментов на выходных валах дифференциального механизма в соотношении, определяемом условиями движения транспортного средства без наложения на механизм дополнительных кинематических связей при его основных режимах работы.
Решение поставленной технической задачи достигается тем, что дифференциальный механизм для привода колес или мостов транспортного средства, содержащий размещенную в картере главную передачу с ведущей и ведомой шестернями, последняя из которых выполнена в виде корпуса-водила, установленного с двухсторонней опорой на левом и правом выходных валах дифференциального механизма и содержащего встроенный в него простой дифференциал, включающий сателлиты, а также планетарные коробки передач, с помощью которых корпус-водило связан с каждым выходным валом механизма, каждая планетарная коробка передач имеет в своем составе, по меньшей мере, одну солнечную шестерню, установленную на соответствующем выходном валу механизма с сателлитом, и фрикционную муфту управления, состоящую из взаимодействующих между собой дисков, закрепленных на внутреннем и наружном барабанах, согласно изобретению каждый сателлит дифференциала жестко закреплен с опорой на корпус-водило на своем валу, параллельном валу другого сателлита и выходным валам дифференциального механизма, при этом на валу сателлита дифференциала жестко закреплен другой сателлит, принадлежащий соответствующей планетарной коробке передач и взаимодействующий с соответствующей ему солнечной шестерней, а каждая планетарная коробка передач дополнительно снабжена эпициклом, взаимодействующим со своим сателлитом, при этом каждая фрикционная муфта управления выполнена в виде набора муфт, внутренний барабан одной из фрикционных муфт жестко связан с эпициклом, а любой другой внутренний барабан связан с зубчатым элементом планетарного ряда своей коробки передач через полый вал, коаксиальный выходному валу дифференциального механизма, одновременно каждый наружный барабан выполнен в виде блока, общего для всех шестерен каждой планетарной коробки передач и жестко закрепленного на левом или правом выходных валах дифференциального механизма.
На решение поставленной технической задачи направлено то, что каждая планетарная коробка передач выполнена двухступенчатой с более чем двумя ступенями.
На решение поставленной технической задачи направлено также то, что каждая планетарная коробка передач выполнена многоступенчатой.
На решение поставленной технической задачи направлено то, что сателлиты внутри корпуса-водила выполнены с определенным соотношением диаметров делительных окружностей исходя из конструктивных особенностей транспортного средства.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена кинематическая схема дифференциального механизма, выполненного в блоке с конической главной передачей и идентичными двухступенчатыми планетарными коробками передач, предназначенными для перераспределения крутящих моментов между выходными валами; на фиг.2 изображена кинематическая схема в частном случае межосевого дифференциального механизма, выполненного с определенным соотношением диаметров делительных окружностей сателлитов, в блоке с цилиндрической главной передачей и многоступенчатыми планетарными коробками передач.
На чертежах (см. фиг.1 и 2) пунктирами показана кинематическая связь сателлитов, расположенных внутри корпуса-водила и предназначенных для передачи крутящего момента левому и правому выходным валам дифференциального механизма, аналогично пунктирами выделены отдельные фрикционные муфты управления, стрелками показано основное направление вращения входного и выходных валов, а подшипники изображены без уточнения типа и уплотнений.
Дифференциальный механизм состоит из следующих основных узлов и деталей. Внутри картера 1, заполненного маслом (см. фиг.1), размещена главная передача (на черт. не обозначена), состоящая из ведущей и ведомой шестерен 2 и 3 соответственно. При этом подвод мощности к главной передаче осуществляется от агрегатов трансмиссии (на черт. не показаны). Ведомая шестерня 3 главной передачи выполнена в виде корпуса-водила 4, установленного с двухсторонней опорой на левом и правом выходных валах 5 дифференциального механизма. Внутри корпуса-водила 4 встроен простой цилиндрический дифференциал (на черт. не обозначен), включающий сателлиты 6 и 7. При этом корпус-водило 4 связан с каждым выходным валом 5 -левым или правым с помощью планетарных коробок передач (на черт. не обозначены), каждая из которых имеет в своем составе, по меньшей мере, одну солнечную шестерню 8, сателлит 9 и фрикционную муфту управления в виде набора муфт, например, из сдвоенных муфт 10 и 11, каждая из которых состоит из взаимодействующих между собой дисков (на черт. не обозначены). Солнечные шестерни 8 установлены каждая на соответствующем левом или правом выходном валу 5, а диски фрикционных муфт управления 10 и 11 подвижно закреплены на внутренних и наружных барабанах 12, 13 и 14 соответственно. При этом каждый сателлит 6 или 7 жестко закреплен на своем валу 75 параллельно другому валу 75 другого сателлита, а также выходным левому или правому валам 5 дифференциального механизма. Кроме этого, на валу 15 каждого из сателлитов 6 или 7 вне корпуса-водила 4 жестко закреплен другой сателлит 9, принадлежащий соответствующей планетарной коробке передач и взаимодействующий с соответствующей солнечной шестерней 8 слева или справа. При этом каждая планетарная коробка передач дополнительно снабжена эпициклом 16, который взаимодействует с ее сателлитом 9. Один из внутренних барабанов, а именно ведущий барабан 13 фрикционной муфты 10, жестко связан с эпициклом 16. Любой другой внутренний барабан, в данном случае - ведущий барабан 12 фрикционной муфты 11, связан с зубчатым элементом, а именно с солнечной шестерней 8 планетарного ряда своей коробки передач через полый вал 17. Причем вал 17 установлен коаксиально выходному валу 5 дифференциального механизма. Одновременно каждый наружный ведомый барабан 14 выполнен в виде блока, общего для всех шестерен 8 и 16 каждой планетарной коробки передач, жестко закрепленного на левом и правом выходных валах 5 дифференциального механизма. Описанный дифференциальный механизм в исходном состоянии является симметричным и содержит главную передачу, которая выполнена в качестве частного случая в виде конической пары, а также снабжен планетарными коробками передач, которые являются двухступенчатыми.
Однако данная конструкция в технически обоснованном случае может содержать планетарные коробки передач, состоящие из нескольких планетарных рядов, то есть быть многоступенчатыми с более чем двумя ступенями (см. фиг 2).
Дополнительные планетарные ряды имеют эпициклы 18, сателлиты 19 и солнечные шестерни 20. При этом помимо сателлитов 6 и 7, принадлежащих собственно механизму простого дифференциала, а также сателлитов 9 основного планетарного ряда, на валах 15 закреплены сателлиты 19 дополнительного планетарного ряда. Соответственно и фрикционные муфты 21 управления каждой из планетарных коробок передач соединены своими ведущими внутренними барабанами 22 через коаксиальные валы 23 с соответствующими солнечными шестернями 20. Аналогичным образом фрикционные муфты 24 управления соединены своими ведущими внутренними барабанами 25 через коаксиальные валы 26 с эпициклами 18. Главная передача, как частный случай, выполнена цилиндрической.
В другом частном случае несимметричного дифференциального механизма, например, со значительной разницей осевой нагрузки на передние и задние колеса (см. фиг.2) сателлиты 6 и 7 могут быть выполнены с определенным соотношением диаметров делительных окружностей, исходя из тягово-сцепных и прочих отличий у разных мостов транспортного средства. Благодаря этому, крутящий момент, распределяемый дифференциальным механизмом на его выходных валах, будет несимметричным еще до начала движения автомобиля.
Функционирование дифференциального механизма осуществляется следующим образом.
При работе дифференциального механизма крутящий момент от трансмиссии передается через размещенную в картере 1 ведущую и ведомую шестерни 2 и 3, приводя во вращение корпус-водило 4 и элементы простого дифференциала в нем - сателлиты 6 и 7. Далее, в случае нормальных дорожных условий, когда колеса имеют одинаково хорошее сцепление с дорогой, сателлиты 6 и 7 дифференциала, жестко связанные с сателлитами 9 (см. фиг.1) двухступенчатых планетарных коробок передач через эпициклы 16, передают с помощью фрикционных муфт 10 одинаковый крутящий момент на выходные валы 5. При поворотах или движении автомобиля по бугристой местности благодаря степени свободы для сателлитов 6 и 7 дифференциала, у колес сохраняется возможность движения с разной длиной траектории.
При снижении у одного из колес сцепных качеств или оказываемого ему опорной поверхностью сопротивления движению (например, из-за попадания в глубокую яму) - планетарная коробка передач, связанная с его выходным валом 5, переключается с помощью фрикционных муфт 11 на ветвь, связанную с солнечной шестерней 8. Крутящий момент передается в этом случае от сателлитов 9 планетарной коробки передач по следующей цепочке: через солнечную шестерню 8, полый вал 17, фрикционную муфту 11 управления и далее на выходной вал 5. В результате сателлиты 9 одного выхода I получают крутящий момент через эпицикл 16, а аналогичные сателлиты 9 другого выхода II - через солнечную шестерню 8. Таким образом, наличие планетарных коробок передач (при одновременном включении не более одной из фрикционных муфт 10 или 11 управления передачами на каждом из выходов I и II) дает возможность перераспределять крутящий момент между указанными выходными валами 5 с выходами I и II без наложения на дифференциальный механизм дополнительных кинематических связей.
Для буксировки автомобиля система управления должна обеспечить включение не более одной любой фрикционной муфты 10 или 11 из всех имеющихся в дифференциальном механизме. Это позволяет перевести колеса в ведомый режим за счет исключения кинематической связи между ведущей шестерней 2 главной передачи и выходными валами 5.
Частичное перераспределение крутящего момента между выходами I и II дифференциального механизма достигается также путем неполного включения, в дополнение к двум ранее включенным (по одной на каждый из выходов I и II), еще одной фрикционной муфты управления (10 или 11). Рассматриваемый механизм приобретает в этом случае свойства дифференциала повышенного внутреннего трения. Это дает возможность без полной потери дифференциальных качеств механизма плавного перераспределения крутящего момента между выходами I и II в интервалах между фиксированными значениями, определяемыми кинематикой планетарных коробок передач.
При отрыве колеса от дороги к двум уже работавшим фрикционам системой управления на полное усилие подключается дополнительная фрикционная муфта управления. Например, если была включена фрикционная муфта 10, то к тому же выходному валу 5 подключается и фрикционная муфта 11. Благодаря этому между солнечной шестерней 8 и эпициклом 16 исключается взаимное угловое смещение, а значит, прекращается вращение сателлитов 9 планетарной коробки передач относительно собственных осей, общих с валами 15. В результате ведомая шестерня 3 главной передачи вращает находящиеся внутри корпуса-водила 4 сателлиты 6 и 7 простого дифференциала, как единое целое, передавая весь подводимый крутящий момент только к тому колесу, которое сохранило контакт с дорогой.
Возможен также режим, при котором полностью включены не менее двух фрикционов управления для колес одного борта и отключены от трансмиссии все колеса другого. В результате произойдет поворот автомобиля с неопределенным радиусом (при колесах, параллельных продольной оси машины) благодаря поворачивающему моменту, возникающему от сил тяги на подключенных к трансмиссии колесах забегающего борта и сил сопротивления движению для колес отстающего. Если отключенные от трансмиссии колеса отстающего борта полностью затормозить по применяемой в колесных тракторах раздельной схеме торможения бортов, то при подключенных к трансмиссии колесах забегающего борта автомобиль будет поворачивать с расчетным радиусом, близким к ширине колеи. При неполном торможении колес отстающего борта, а для забегающего борта при частичном (дополнительно к основным) включении фрикционных муфт управления коробок передач дифференциального механизма обеспечивается поворот с нерасчетным радиусом.
Итак, с помощью систем управления обеспечивается возможность реализации следующих схем трансмиссии: с отключенным от силовой установки выходным валом и передачей к другому выходному валу всего момента, подводимого к дифференциальному механизму; с заданным соотношением крутящего момента между выходными валами дифференциального механизма и сохранением необходимой для нормального функционирования дифференциального механизма дополнительной степени свободы; с повышенным внутренним трением в механизме; с полной блокировкой выходных валов дифференциального механизма между собой.
Работа дифференциальных механизмов с регулируемым перераспределением крутящего момента между выходными валами в случае многоступенчатых коробок передач, состоящих из нескольких планетарных рядов, то есть с более чем двумя ступенями, осуществляется аналогичным образом (см. фиг.2).
Между покрытым ледяной коркой и сухим асфальтобетоном соотношение коэффициентов сцепления, как правило, не превышает величины 1:7. Если для первого планетарного ряда количество зубьев принять равным: 69 - для эпицикла, 15 - для солнечной шестерни и 27 - для сателлита, а для второго планетарного ряда соответственно - 57, 27 и 15, то при одинаковых центральных сателлитах 6 и 7 возможны следующие варианты перераспределения крутящего момента между выходными валами 5, а именно 1:1; 1: 1,42; 1: 1,49; 1: 2,11; 1: 3,24; 1: 4,60; 1: 6,84. Это позволяет реализовать тяговые усилия колесных движителей практически при любых сочетаниях дорожных условий, вероятных по сцепным качествам, без наложения на механизм дополнительных кинематических связей.
Известны конструкции автомобилей, имеющие конструктивную перегрузку одной из осей. К ним, например, относятся двухосные автомобили с кабиной над двигателем (типа автомобилей УАЗ вагонной компоновки). В этом случае рационально применить несимметричный межосевой дифференциальный механизм, у которого, например, передающие крутящий момент к переднему мосту сателлиты 7 имеют диаметр делительных окружностей, больший, чем сателлиты 6, предназначенные для передачи крутящего момента к заднему мосту. Это дает возможность автомобилю при одинаковых используемых элементах планетарных коробок дифференциального механизма на дорожном покрытии со стабильными сцепными качествами перераспределять крутящий момент между ведущими мостами в соотношении, требуемом по нормальным нагрузкам на них. Тогда при изменении сцепных качеств под одним из элементов движителя имеется возможность перераспределять крутящие моменты с учетом соотношения нагрузки между мостами во всем диапазоне, регулируемом дифференциальным механизмом.
Таким образом, изобретение позволяет осуществить перераспределение крутящих моментов на выходных валах дифференциального механизма в соотношении, определяемом условиями движения транспортного средства без наложения на механизм дополнительных связей при его основных режимах работы.
Источники информации
1. Артоболевский И.И. Механизмы в современной технике: Справочное пособие в 7 томах. Т. IV: Зубчатые механизмы. - 2-е изд., переработанное. - М.: Наука, 1980, с.516, схема механизма №2748.
2. Володин В. Активные дифференциалы для спортивных автомобилей // Автосервис.- 2011, №3, с.63, рис.3 (прототип).