Принудительно блокируемый конический дифференциал транспортного средства (варианты)
FORCIBLY LOCKED CONICAL DIFFERENTIAL OF VEHICLE (VERSIONS)

Группа изобретений относится к машиностроению, а именно, к дифференциальным передачам, и может быть использована в трансмиссиях транспортных средств. Первый вариант раскрывает особенности конструкции двухсателлитного конического дифференциала, второй вариант - четырехсателлитного конического дифференциала.
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 "классический" дифференциал предназначен для передачи крутящего момента от главной передачи к полуосям колесной пары ведущего моста. Он позволяет ведущим колесам автомобиля вращаться с разной скоростью, что исключает проскальзывание одного из колес при повороте автомобиля или при 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 прикреплен к охватывающей его ведомой шестерне главной передачи. Корпус дифференциала выполнен неразъемным и имеет фланец для установки ведомой шестерни. Для обеспечения возможности монтажа шестерен 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 большее 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.
Известны конструкции принудительно блокируемых дифференциалов, в которых элементы, осуществляющие блокирование, являются встроенными в сам дифференциал.
Так, в патенте RU 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. Диаметр блокирующих сателлитов меньше, чем диаметр основных сателлитов. Дифференциал снабжен двухпозиционным фиксатором. Средство перехода из режима "свободного вращения" в режим "заблокировано" выполнено в виде внешнего тормоза для блокирующего кольца. Внешний тормоз может быть электромагнитным колодочным тормозом, закрепленным на неподвижном корпусе редуктора. Управление осуществляется водителем, который с пульта управления автомобилем вводит блокирующие сателлиты в зацепление с основными сателлитами поворотом блокирующего кольца.
Недостатком такой конструкции является то, что в момент включения блокировки возникает ударная нагрузка на шестерни, а также отсутствие возможности ограничения нагрузки при блокировании из-за отсутствия проскальзывания, поскольку две шестерни жестко блокируются третьей.
В качестве прототипа обоих вариантов изобретения выбрана усовершенствованная конструкция классического дифференциала повышенного трения, снабженная электрогидравлической системой, которая описана в заявке WO 2017/053421, опубл. 21.09.2016. В разъемном корпусе дифференциала 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. 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 скажется на его управляемости и проходимости.
К недостаткам прототипа можно отнести большое количество подверженных износу деталей - 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.
В основу изобретения поставлена задача создания блокируемого дифференциала на основе классического свободного дифференциала, управляемого, как и прототип, с помощью гидравлической системы в процессе движения транспортного средства. Достигаемый технический результат - упрощение конструкции принудительно блокируемого дифференциала и повышение долговечности за счет уменьшения количества деталей, подверженных фрикционному износу.
Поставленная задача в первом варианте изобретения (двухсателлитная конструкция) решается тем, что принудительно блокируемый конический дифференциал транспортного средства имеет 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. От прототипа отличается тем, что 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. На боковых поверхностях обоих поршней выполнены кольцевые проточки, в которых установлены уплотнительные кольца. 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.
В конструкции может осуществляться силовое воздействие поршней на полуосевые шестерни напрямую в случае, если площадь рабочей поверхности поршня соответствует площади поверхности торца шестерни. Как предпочтительная альтернатива возможна реализация, когда между поршнями и полуосевыми шестернями установлены шайбы скольжения.
Поставленная задача во втором варианте изобретения (четырехсателлитная конструкция) решается тем, что принудительно блокируемый конический дифференциал транспортного средства имеет в своем составе корпус с крышкой, в корпусе размещены полуосевые прямозубые конические шестерни, между шестернями установлены взаимодействующие с ними сателлиты. От прототипа отличается тем, что дифференциал 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. На боковых поверхностях обоих поршней выполнены кольцевые проточки, в которых установлены уплотнительные кольца. 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.
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 чертежей, на которых представлено: Фиг. 1 - изометрия дифференциала (по первому варианту изобретения) с частичным вырезом корпуса и крышки, Фиг. 2 - дифференциал по второму варианту, осевое сечение.
Поскольку второй вариант изобретения практически повторяет первый, за исключением того, что в нем использованы две пары сателлитов вместо одной и особенностей формирования пазов для установки осей сателлитов, в приведенном ниже подробном примере реализации за основу конструкции взят двухсателлитный дифференциал автомобиля ВАЗ 2121.
Принудительно блокируемый дифференциал транспортного средства имеет корпус 1 с фланцем и технологическими окнами 2 (окна отсутствует во втором варианте изобретения), закрытый крышкой 3. Внутри корпуса 1 установлены полуосевые прямозубые конические шестерни: первая шестерня 4 (со стороны крышки 3) и вторая шестерня 5, и взаимодействующие с ними сателлиты 6. Ось 7 сателлитов 6 установлена в выполненных в корпусе 1 отверстиях 8. В крышке 3 на внутренней торцевой поверхности (поверхность торца, обращенная внутрь корпуса) выполнена кольцевая проточка, образующая открытую камеру 9, в которой установлен контактирующий с первой шестерней 4 поршень 10 (тороид прямоугольного сечения) с возможностью его продольного (вдоль оси корпуса дифференциала) перемещения совместно с первой полуосевой шестерней 4. В корпусе 1 на внутренней торцевой поверхности выполнена аналогичная кольцевая проточка, образующая вторую открытую камеру (на Фиг 1 не показана) в которой установлен поршень 11 (На Фиг. 1 показан условно), с возможностью его продольного (вдоль оси корпуса дифференциала) перемещения совместно со второй полуосевой шестерней 5. Камера 9 посредством канала 12, выполненного в крышке 3, сообщается с закрепленным на наружной торцевой поверхности крышки 3 штуцером 13, предназначенным для подсоединения к системе управляемой подачи рабочей жидкости. Аналогично камера в корпусе посредством канала (на Фиг. 1 не показаны) сообщается с закрепленным на наружной поверхности крышки корпуса штуцером 14, На боковых поверхностях поршня выполнены кольцевые проточки, в которых установлены уплотнительные кольца 15. Для осуществления блокирования дифференциала используется рабочая жидкость трансмиссии, подаваемая в камеры 9 через штуцеры 13 и 14.
Система управляемой подачи рабочей жидкости в дифференциал достаточно проста в исполнении, не является предметом изобретения, а потому ее 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. Гидравлический блок управляется бортовым компьютером автомобиля.
При работе дифференциала в свободном (разблокированном) режиме гидравлический блок не создает давление гидравлической жидкости в гидролинии, присоединенной к дифференциалу.
По сигналу бортового компьютера автомобиля, гидравлический блок начинает создавать давление в гидравлической линии, присоединенной к дифференциалу. Под действием гидростатического напора рабочей жидкости, которая через штуцеры 13 и 14 и каналы, соответственно, в крышке и в корпусе поступает в камеры с установленными поршнями 10 и 11. Поршни 10 и 11 осуществляют осевое встречное перемещение, воздействуя на соответствующие полуосевые шестерни 4 и 5, устраняя зазор между шестернями и взаимодействующими с ними сателлитами 6. Продолжая движение, поршни 10 и 11 перемещает шестерни до их упора в сателлиты 6. При этом сила давления поршней 10 и 11 при взаимодействии полуосевых шестерен 4 и 5 с сателлитами 6 прижимает последние к корпусу дифференциала в радиальном направлении, а шестерни в осевом. В результате шестерни через сателлиты прижаты друг к другу и корпусу без зазора. Специалистам известно, что осевой рабочий зазор в конической передаче, необходимый для нормальной работы шестерен равен 1/8m, где m - модуль зуба передачи. В реальности для автомобильных дифференциалов осевой зазор составляет 1-2 мм. Лишенная рабочего зазора, зажатая между корпусом 1 дифференциала и поршнями коническая зубчатая передача заклинивается - дифференциал блокируется.
Ось вращения шестерен и ось сателлитов в конической передаче пересекаются под углом 90°. Действующие в зубчатой передаче вращающие моменты вызывают силы взаимодействия, имеющие окружную, радиальную и осевую составляющие. После прекращения подачи рабочей жидкости в камеры осевые силы возвращают сателлиты 6, шестерни и поршни в исходное состояние, восстановив тем самым рабочие зазоры зубчатой передачи. Зубчатая передача разблокируется.
Если по команде бортового компьютера автомобиля, камеры поршней остаются под определенным (заданным) давлением, дифференциал остается в режиме ограниченной блокировки. В этом режиме шестерни могут прийти во вращение только преодолев силу давления поршней и отодвинув их обратно в камеру на величину рабочего зазора. Меняя давление в камерах, можно менять величину крутящего момента, при воздействии которого дифференциал остается заблокированным. Возможность управлять крутящим моментом, передаваемым дифференциалом на полуоси транспортного средства во время движения положительно сказывается на управляемости и проходимости автомобиля. Ограничение предельных сил, действующих на шестерни дифференциала в режиме блокирования с помощью ограничения максимального давления в гидравлической системе, предохраняет механизм от поломок из-за перегрузки и повышает его надежность.
В описанном выше примере осуществляется прямой контакт поршней и шестерен. Однако, если площадь контакта недостаточна, дополнительно между шестернями и поршнями устанавливаются шайбы скольжения (на Фиг. 1 не показаны).
Все описанное выше в отношении двухсателлитного дифференциала справедливо и для черырехсателлитного (второй вариант изобретения представлен на Фиг. 2). На Фиг. 2 часть позиций повторяет нумерацию позиций Фиг. 1: 1 - корпус, 3 - крышка, 4 - первая шестерня, 5 - вторая шестерня, 6 - сателлиты, 9 - открытые камеры в крышке и корпусе, 10, 11 - поршни, 12 - каналы в крышке и корпусе, 13 - штуцер крышки, 14 - штуцер корпуса, 15 - уплотнительные кольца поршня.
Во втором варианте изобретения применено две пары сателлитов, установленных на крестовине 16 (крестовина может быть сборной и включать две взаимно перпендикулярные оси сателлитов, соединенные разборным соединением). При этом во втором варианте изобретения сочленение крышки и корпуса осуществляется по плоскости расположения геометрических осей крестовины, то есть крышка 3 образует полость, соизмеримую с объемом чашки корпуса. Оси сателлитов (крестовина) установлены в отверстиях, образованных сопрягаемыми между собой пазами 17, выполненными на встречно ориентированных открытых торцах крышки и корпуса, то есть посадочные отверстия крестовины образованы дополняющими друг друга пазами при сочленении корпуса и крышки. На Фиг. 2 показана реализация, при которой между полуосевыми шестернями и поршнями установлены шайбы скольжения 18. Работа дифференциала по второму варианту изобретения, представленному на Фиг. 2, осуществляется аналогично вышеописанному с той разницей, что воздействие поршней на полуосевые шестерни осуществляется через шайбы скольжения 18. Однако возможна реализация без шайб.
Таким образом, в заявляемом принудительно блокируемом дифференциале (в обоих вариантах) блокирование осуществляется при воздействии на элементы конической передачи поршней, встроенных в конструкцию дифференциала, что приводит к заклиниванию шестерен.
Созданный на совершенно ином принципе действия, новый дифференциал содержит минимально возможное количество деталей и максимально унифицирован с серийными коническими дифференциалами и может быть использован в любых транспортных средствах. Количество деталей, подверженных фрикционному износу, сведено к минимуму.