БЛОКИРУЮЩИЙСЯ ДИФФЕРЕНЦИАЛ С МАЛЕНЬКОЙ ДЛИНОЙ ХОДА И С БОЛЬШОЙ ДЛИНОЙ БЛОКИРУЮЩЕГО ЗАЦЕПЛЕНИЯ
DIFFERENTIAL LOCK WITH SMALL STROKE LENGTH AND WITH LARGE LENGTH OF LOCKING LINKS

Область техники
Изобретение в целом относится к блокирующимся дифференциалам. В частности, изобретение относится к блокирующимся дифференциалам кольцевого типа, имеющим маленькую длину хода и при этом большую длину зацепления.
Предшествующий уровень техники
Блокирующиеся дифференциалы с изменением коэффициента сцепления обычно включают в себя картер зубчатой передачи, определяющий камеру зубчатой передачи, и расположенную в ней зубчатую передачу дифференциала, включающую в себя по меньшей мере одну первичную венцовую шестерню и пару выходных полуосевых шестерен. Обычно такой «блокирующийся дифференциал» включает в себя блокирующийся механизм, чтобы выборочно предотвращать вращение одной из полуосевых шестерен относительно картера зубчатой передачи, при этом зацепление блокирующегося механизма инициируется приводным механизмом.
Максимальный крутящий момент блокирующегося механизма в блокирующемся дифференциале является функцией осевого перемещения блокирующегося механизма, поскольку он перемещается между заблокированным и разблокированным состояниями. Перемещение блокирующегося механизма ограничено осевым перемещением «внутренней наклонной пластины», расположенной рядом с корпусом дифференциала. В коммерческом варианте осуществления изобретения блокирующегося дифференциала, выполненного в соответствии с принципами, раскрытыми в патентном документе US 6551209, стопорные элементы имеют осевое перемещение около 4 мм и эффективное «блокирующее зацепление», составляющее около 3 мм. В другом примере, в соответствии с принципами, раскрытыми в патентном документе US 7264569, дифференциал имеет стопорный элемент с перемещением приблизительно от 8 мм до 12 мм и длиной зацепления около 8 мм.
Раскрытие изобретения
Изобретение направлено на создание блокирующегося дифференциала с маленькой длиной хода, маленьким перемещением и большой длиной блокирующего зацепления.
Дифференциал содержит картер зубчатой передачи, имеющий центральную ось и углубления. Полуосевая шестерня выполнена с возможностью вращения вокруг центральной оси и снабжена отходящими радиально наружу стопорными элементами, дополнительно включающими в себя сегменты полуосевой шестерни, разделенные множеством канавок. Приводной механизм окружает центральную ось. Кольцо выполнено с возможностью перемещения в двух направлениях вдоль центральной оси и содержит выступы и отходящие радиально внутрь стопорные элементы, дополнительно включающие в себя сегменты кольца, разделенные соответствующими канавками. Приводной механизм выполнен так, чтобы перемещать кольцо относительно полуосевой шестерни для перемещения выступов в углублениях в осевом направлении. Сегменты кольца выполнены с возможностью входить в зацепление с сегментами полуосевой шестерни, когда приводной механизм перемещает кольцо в заблокированное положение. Сегменты полуосевой шестерни выполнены с возможностью проходить через канавки отходящих радиально внутрь стопорных элементов, когда приводной механизм перемещает кольцо в разблокированное положение.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 показан блокирующийся дифференциал в деактивированном, разблокированном положении, осевой разрез;
на фиг. 2 - вид, если смотреть на фиг. 1 слева, со снятой торцевой крышкой;
на фиг. 3 - блокирующийся дифференциал в деактивированном, разблокированном положении, другой вид;
на фиг. 4 - расположение смещающей пружины с кольцом в заблокированном положении;
на фиг. 5 - блокирующийся дифференциал в деактивированном, разблокированном положении в осевом разрезе, поясняющем величину перемещения блокирующегося механизма;
на фиг. 6А - выравнивание и расположение сегментов боковой поверхности к боковой поверхности, заблокированное положение;
на фиг. 6В - заблокированное положение, другой вид.
Варианты осуществления изобретения
Другие особенности изобретения будут в дальнейшем подробно описаны на примере вариантов его осуществления со ссылками на чертежи. Во всех возможных случаях одинаковые ссылочные обозначения использованы для всех чертежей, чтобы определять одинаковые или аналогичные элементы.
На фиг. 1 показан блокирующийся дифференциал в осевом разрезе. Блокирующийся дифференциал, показанный на фиг. 1, включает в себя картер 11 зубчатой передачи и торцевую крышку 12, которая может быть прикреплена к картеру 11 зубчатой передачи любыми подходящими средствами, например такими, как множество болтов (не показаны). Картер 11 зубчатой передачи и торцевая крышка 12 совместно определяют камеру зубчатой передачи, в целом указанную ссылочным обозначением 13. Картер 11 зубчатой передачи определяет участки 27 и 29 кольцевой втулки, на которых могут быть установлены комплекты подшипников, обеспечивающие вращательную поддержку для вращения устройства дифференциала относительно внешнего корпуса дифференциала или "чашки" (не показано).
Подводимый крутящий момент к блокирующемуся дифференциалу обычно передается через первичную венцовую шестерню, которая может быть прикреплена к фланцу 15. Расположенная внутри камера 13 зубчатой передачи представляет собой комплект шестерен дифференциала, включающий в себя пару входных сателлитов 17. Как правило, входные сателлиты 17 установлены с возможностью вращения вокруг вала-шестерни 18, закрепленного относительно картера 11 зубчатой передачи любыми подходящими средствами. Сателлиты 17 содержат входные шестерни комплекта шестерен дифференциала и находятся в зубчатом зацеплении с парой полуосевых шестерен 19 и 21. Полуосевые шестерни 19 и 21 определяют комплекты внутренних прямых шлицов 23 и 25, которые выполнены так, чтобы находиться в шлицевом зубчатом зацеплении с сопрягаемыми внешними шлицами на паре полуосей (не показаны).
Во время нормальной работы транспортного средства с направлением движения прямо вперед, между левой и правой полуосями или между левой и правой полуосевыми шестернями 19 и 21 не происходит дифференциации. Поэтому сателлиты 17 не вращаются относительно вала-шестерни 18. Вал-шестерня 18 вращается так же, как вращается внешняя венцовая шестерня, окружающая картер. В результате картер 11 зубчатой передачи, сателлиты 17, а также полуосевые шестерни 19 и 21 все вращаются вокруг оси А вращения, как если бы они составляли единый узел. Когда транспортное средство поворачивает, полуосевые шестерни 19 и 21 могут вращаться с различными скоростями, поскольку они могут вращаться относительно сателлитов 17. Если необходимо получить заблокированное положение, полуосевые шестерни 19 и 21 могут быть заблокированы от дифференциального вращения посредством предотвращения вращения по меньшей мере одной из полуосевых шестерен 19 и 21 со скоростью, отличающейся от скорости вращения картера. В соответствии с поясняющим примером блокирующий режим вызывает блокирование одной полуосевой шестерни 19 для вращения с картером. Вследствие этого предотвращается вращение сателлитов 17 вокруг вала-шестерни 18, при этом внешняя полуосевая шестерня 21 не может вращаться со скоростью, которая отличается от скорости вращения первой полуосевой шестерни, а другая полуосевая шестерня 21 вращается с такой же скоростью, как и картер.
Как показано на фиг. 1, блокирующийся дифференциал включает в себя механизм предотвращения вращения, в целом указанный ссылочным обозначением 31, который расположен полностью внутри картера 11 зубчатой передачи и функционально взаимосвязан с полуосевой шестерней 19. Блокирующийся дифференциал также включает в себя приводной механизм, в целом указанный ссылочным обозначением 33, который в соответствии с этим примером является внешним по отношению к картеру 11 зубчатой передачи.
Механизм 31 предотвращения вращения в целом содержит кольцо 35, которое включает в себя, на своей внешней боковой поверхности, множество выступов 37, показанных на фиг. 2 и 4. Только в качестве примера обеспечено шесть выступов 37. Каждый из выступов 37 помещен внутри сопряженного, проходящего в осевом направлении углубления 39, определяемого картером 11 зубчатой передачи, таким образом, чтобы предотвращалось вращение кольцевой втулки 35 относительно картера 11 зубчатой передачи, но обеспечивалась возможность осевого перемещения между заблокированным положением, показанным на фиг. 6А и 6В, и разблокированным положением, показанным на фиг. 3, 4 и 5.
На внутренней боковой поверхности кольца 35 расположено множество стопорных элементов 41 кольца. Вместе с ними чередуется множество стопорных элементов 43 полуосевой шестерни, которые расположены на внешней боковой поверхности полуосевой шестерни 19. В качестве примера имеется девять стопорных элементов 41 кольца и девять стопорных элементов 43 полуосевой шестерни. Каждый стопорный элемент 41 кольца имеет кольцевой зазор с ближайшими элементами, и каждый из стопорных элементов 43 полуосевой шестерни имеет кольцевой зазор с ближайшими элементами. Эти зазоры являются достаточными, чтобы позволять стопорным элементам 41 кольца скользить между стопорными элементами 43 полуосевой шестерни в наружном направлении страницы на фиг. 2. То есть кольцо 35 может скользить вдоль оси в наружном направлении страницы на фиг. 2 так, чтобы стопорные элементы 41 кольца проходили между стопорными элементами 43 полуосевой шестерни. Зазоры могут регулироваться, чтобы обеспечивать минимальный просвет между стопорными элементами. Или могут регулироваться зазоры и количество стопорных элементов, чтобы имелись более значительные просветы между стопорными элементами так, чтобы обеспечивалось минимальное количество стопорных элементов, достаточное только для обеспечения требуемого усилия для введения в зацепление кольца 35 и полуосевой шестерни 19. Однако стопорные элементы должны иметь достаточный просвет для облегчения перемещения кольца 35 из его разблокированного положения (показано на фиг. 3, 4 и 5) в заблокированное положение (как показано на фиг. 6А и 6В).
Кроме того, каждый стопорный элемент разделен на сегменты посредством наличия в нем канавок. То есть стопорный элемент 41 кольца содержит шесть сегментов 72, а полуосевая шестерня 19 содержит шесть сегментов 71. Сегменты и канавки позволяют полуосевой шестерне 19 вращаться относительно кольца 35 даже в то время, когда стопорные элементы 41 кольца остаются поблизости от стопорных элементов 43 полуосевой шестерни. Сегменты 71 полуосевой шестерни проходят между сегментами 72 кольца, когда дифференциал разблокирован, при этом сегменты 71 полуосевой шестерни находятся в контакте боковой поверхности к боковой поверхности с сегментами 72 кольца, когда дифференциал находится в заблокированном положении.
В то время как сегменты и канавки показаны на фиг. как имеющие прямоугольные края, сегменты и канавки могут иметь закругленные или скошенные края, или сегменты могут быть коническими вдоль их длины или ширины, и при этом иметь или не иметь закругленные или скошенные края. Кроме того, каждый сегмент 72 кольца может быть параллельным любому другому сегменту 72 кольца. Сегменты 72 кольца могут быть многоугольными, каждый из них с центральной осью вдоль наибольшей длины, а самая длинная центральная ось каждого сегмента 72 кольца может быть параллельной любому другому сегменту кольца. Подобным образом и для сегментов 71 полуосевой шестерни каждый сегмент 71 полуосевой шестерни может быть параллельным любому другому сегменту полуосевой шестерни. Каждый сегмент 71 полуосевой шестерни может быть многоугольником, имеющим самую длинную центральную ось, при этом самая длинная центральная ось может быть параллельной любой другой самой длинной центральной оси других сегментов полуосевой шестерни. Чтобы обеспечить плавное вращение кольца относительно полуосевой шестерни, каждая самая длинная центральная ось каждого сегмента полуосевой шестерни может быть параллельна каждой самой длинной центральной оси каждого сегмента кольца.
На фиг. 1 приведено «разблокированное» положение механизма 31 предотвращения вращения. На фиг. 2, 6А и 6В показано его «заблокированное» положение. На фиг. 2 стопорные элементы 41 и 43 являются центрированными относительно друг друга, чтобы показать положение, в котором кольцо 35 может скользить относительно полуосевой шестерни 19. На фиг. 6А и 6В показано, что каждый стопорный элемент 41 кольца может находиться в контакте боковой поверхности к боковой поверхности с близлежащим стопорным элементом 43 полуосевой шестерни, чтобы блокировать дифференциал. Каждый сегмент 71 полуосевой шестерни примыкает к сегменту 72 кольца таким образом, что не позволяет полуосевой шестерне 19 вращаться относительно кольца 35. То есть кольцо 35 скользит таким образом, что канавки в кольце 35 больше не выровнены с сегментами 71 полуосевой шестерни, а канавки в полуосевой шестерне 19 больше не выровнены с сегментами 72 кольца. Узкая поверхность на сегменте 71 полуосевой шестерни примыкает к узкой поверхности на сегменте 72 кольца. В то время как направление вращения полуосевой шестерни 19 показано на фиг. 6А и 6В по часовой стрелке по отношению к фиг. 2, также возможно вращение в противоположном направлении.
Комбинация стопорных элементов и сегментов, как раскрыто, значительно уменьшает необходимое перемещение для блокировки и разблокировки дифференциала. Кольцо должно перемещаться вдоль оси только на толщину сегмента, чтобы войти или выйти из зацепления со стопорными элементами. Расстояние зазора также может быть сюда включено для обеспечения длины зазора между сегментами 72 кольца и сегментами 71 полуосевой шестерни.
Как показано на фиг. 5, полуосевая шестерня 19 также может содержать выступ 62. Размер этого выступа 62 может быть подобран таким образом, чтобы предотвращать перемещение кольца мимо сегментов 71 полуосевой шестерни в направлении торцевой крышки 12. Между выступом 62 и сегментами 71 полуосевой шестерни может существовать зазор, чтобы позволять сегментам 72 кольца свободно вращаться в этом зазоре.
По сравнению с винтовыми пружинами прямого действия предшествующего уровня техники раскрываемый блокирующий дифференциал имеет маленькую длину хода и большую длину блокирующего зацепления. То есть дифференциалы с пружинами прямого действия предшествующего уровня техники имеют низкое усилие и маленькую длину перемещения, которые ограничивают общую длину зацепления. Длина зацепления в предшествующем уровне техники равна перемещению пружины минус зазор:
Посредством создания множества зацеплений перекрытия через сегменты общая длина зацепления нового блокирующегося механизма не ограничивается длиной перемещения пружины. Вместо этого длина зацепления может определяться как перемещение пружины минус зазор, умноженный на количество перекрытий:
Как показано на фиг. 1 и вместе с фиг. 3, картер 11 зубчатой передачи определяет множество цилиндрических отверстий 45. Внутри каждого отверстия 45 расположен с возможностью скользящего перемещения продолговатый в целом цилиндрический исполнительный элемент 47. В качестве примера имеется три исполнительных элемента 47. Каждый исполнительный элемент 47 имеет первый конец 49, находящийся в контакте с кольцом 35, и второй конец 51, проходящий до некоторой степени наружу из картера 11 зубчатой передачи. Каждый из этих концов 51 может быть выполнен таким образом, что имеет до некоторой степени полусферическую форму, для того чтобы концы 51 могли скользить на наклонных поверхностях 55. Эти три исполнительных элемента 47 могут входить в зацепление с выступами 37, которые находятся в положениях, соответствующих 2 часам, 6 часам и 10 часам на фиг. 2.
Приводной механизм 33, расположенный вокруг картера 11 зубчатой передачи на конце близлежащей полуосевой шестерни 21, включает в себя единственную наклонную пластину 53, определяющую множество наклонных поверхностей 55 и промежуточных углублений. Имеется одна наклонная поверхность 55 с вершиной и одно углубление для каждого исполнительного элемента 47. Это устройство, выполненное в стиле «штифт и наклонная поверхность», имеющее одну наклонную пластину и один набор «штифтов» (т.е. исполнительных элементов 47), обеспечено для осевого перемещения исполнительных элементов 47. «Внутренняя» наклонная пластина является элементом, который имеет «перемещение».
Вследствие разнесения сегментов «перемещение» значительно уменьшается по сравнению с предшествующим уровнем техники. Например, размеры сегментов могут быть подобраны для длины хода 1,5 мм. Однако длина зацепления составляет 6 мм. Это является отличием от предшествующего уровня техники, в котором длина хода приблизительно равна длине зацепления.
Приводной механизм 33 дополнительно включает в себя электромагнитную катушку, в целом указанную ссылочным обозначением 57. Функция электромагнитной катушки состоит в том, чтобы прикладывать требуемый замедляющий крутящий момент к наклонной пластине 53, инициируя таким образом перевод исполнительных элементов 47 на рабочий режим. Используемое выражение «перевод на рабочий режим» в отношении исполнительных элементов 47 включает в себя перемещение элементов 47 из полностью втянутого положения, показанного на фиг. 3 и 4, когда к катушке 57 не подается электропитание (соответствующее деактивированному, разблокированному положению), в полностью выдвинутое положение, когда к катушке 57 подается электропитание (соответствующее активированному, заблокированному положению). Электромагнитная катушка 57 может вызвать вращение наклонной пластины 53, чтобы вершины наклонных поверхностей толкали исполнительные элементы (штифты) в направлении к кольцу 35. Выступы 37 кольца скользят в соответствующих углублениях 39 картера 11 зубчатой передачи, чтобы кольцо 35 перемещалось в направлении к торцевой крышке 12 и в направлении от наклонной пластины 53 в заблокированное положение.
Кольцо 35 смещается в направлении к деактивированному, разблокированному положению посредством волнистой пружины 61, показанной на фиг. 3 и 4. Могут быть использованы различные смещающие механизмы, хотя волнистая пружина 61 облегчает компактную компоновку механизма 31 предотвращения вращения. Когда к электромагнитной катушке 57 не подается электропитание, наклонная пластина 53 может вращаться таким образом, что углубления наклонной пластины 53 выровнены с исполнительными элементами 47. Затем волнистая пружина 61 толкает кольцо 35 в сторону от торцевой крышки 12 и в направлении к наклонной пластине 53, чтобы разблокировать дифференциал. Таким образом, кольцо 35 способно перемещаться в двух направлениях вдоль оси А-А на фиг. 1 в зависимости от состояния приводного механизма 33, т.е. переведен он в рабочий режим или нет.
На фиг. 1 до некоторой степени схематично показана электромагнитная катушка 57, к которой подается электропитание через пару электрических подводящих проводов 59. Ссылочное обозначение «59» также будет использоваться в дальнейшем, чтобы идентифицировать электрический входной сигнал к приводному механизму 33.
В то время как были пояснены наклонная поверхность и приводная катушка, также могут быть использованы и другие средства приводного механизма, такие как шарик и наклонная поверхность. Используемые приводные средства должны быть способны перемещать кольцо относительно полуосевой шестерни.
Блокирующийся дифференциал может управляться в любом из двух режимов. Дифференциал может управляться вручную, т.е. режим, в котором водитель вручную выбирает заблокированный режим (вместо разблокированного режима). Дифференциал может работать в заблокированном режиме, после того как режим выбран вручную. В соответствии с альтернативным вариантом блокирующемуся дифференциалу может быть позволено работать в автоматическом режиме, в котором, например, микропроцессор транспортного средства воспринимает рабочие условия, такие как начальное проскальзывание колеса, и передает соответствующий электрический сигнал к блокирующемуся дифференциалу, чтобы блокировать полуосевую шестерню 19 относительно картера 11 зубчатой передачи и предотвращать между ними любую дополнительную дифференциацию.
В случае автоматического приведения в действие блокирующегося дифференциала при определенных рабочих условиях, например, когда транспортное средство поворачивает, или существует небольшая разница в размерах шин, то между полуосевыми шестернями 19 и 21 в определенной степени допускается возникновение дифференцирующего действия. Однако в соответствии с примером, приведенным на фиг. 1, не включена иллюстрация для пакета муфты сцепления или другого механизма, который задерживает или ограничивает дифференцирующее действие. Вместо этого, в соответствии с примером, показана работа, аналогичная работе «открытого дифференциала» или в деактивированном, разблокированном режиме, или в активированном, заблокированном режиме.
Дифференциал может содержать достаточное количество вводов, таких как электрические подводящие провода 59, чтобы было возможно ручное или автоматическое управление. При необходимости дифференциал может содержать присоединения, такие как шина CAN (Controller Area Network, асинхронная последовательная коммуникационная шина), обрабатывающая данные (хранение, обработку и программирование), и т.д., чтобы выполнять ручное или автоматическое управление, и может дополнительно содержать устройства вывода и другие аппаратные средства, а также программные средства, чтобы посылать сигналы, показывающие заблокированное или разблокированное состояния.
На фиг. 5 показано перемещение «Т» кольца 35 при перемещении между заблокированным (фиг. 6А и 6В) и разблокированным (фиг. 3, 4 и 5) состояниями. Перемещение Т равно толщине сегмента плюс зазор. В этом примере перемещение приблизительно равно 1,5 мм. Длина хода или расстояние, на которое должен перемещаться исполнительный элемент, чтобы ввести в зацепление кольцо 35 с полуосевой шестерней, в этом примере также приблизительно составляет 1,5 мм. Таким образом, вместо перемещения на общую длину зацепления, чтобы заблокировать или разблокировать дифференциал, перемещение значительно уменьшается до части длины зацепления.
Длина зацепления (т.е. осевая длина зацепления) между стопорными элементами 41 и 43 в этом примере приблизительно составляет 6 мм. Это объясняется тем, что 1 сегмент на стопорном элементе 41 кольца обеспечивает приблизительно 1 мм толщины, чтобы войти в зацепление с приблизительно 1 мм толщины сегмента стопорного элемента 43 полуосевой шестерни. Поскольку имеется 6 сегментов на каждом стопорном элементе, то стопорный элемент дополнительно имеет приблизительно 6 мм длины зацепления.
На фиг. 6А показан один пример заблокированного состояния. Кольцо 35 выровнено с полуосевой шестерней 19 таким образом, что сегменты 72 кольца больше не выровнены с канавками в стопорных элементах 43 полуосевой шестерни. Стопорные элементы 43 полуосевой шестерни находятся в контакте боковой поверхности к боковой поверхности со стопорными элементами 41 кольца, а сегменты 71 стопорных элементов 43 полуосевой шестерни больше не выровнены с канавками в стопорных элементах 41 кольца. Как показано на фиг. 6В, канавки в стопорных элементах 43 полуосевой шестерни выровнены с канавками в стопорных элементах 41 кольца.
Количество, толщина, длина и разнесение сегментов и стопорных элементов может отличаться от показанных примеров, а направление вращения полуосевой шестерни 19 может быть по часовой стрелке (как показано) или против часовой стрелки. Кроме того, поскольку чертежи не соответствуют точному масштабу, ширина кольца и протяженность сегментов на полуосевой шестерне 19 могут варьироваться. Местоположение сегментов на полуосевой шестерне 19 может быть направленным влево, как на фиг. 1, направленным вправо, как на фиг. 3, или сегменты могут поворачиваться слева направо, или на некоторую промежуточную длину, как показано на фиг. 1 и 3.
В приведенном выше описании изобретения были раскрыты различные примеры со ссылками на чертежи. Однако является очевидным, что могут быть выполнены различные другие модификации и изменения, а также могут быть применены дополнительные составляющие без выхода за пределы более широкого объема формулы изобретения. Соответственно описание и чертежи следует рассматривать скорее в пояснительном смысле, чем в ограничивающем.