АВТОМАТИЧЕСКИЙ ДИФФЕРЕНЦИАЛ ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА

Полезная модель относится к автомобилестроению, в частности, к трансмиссиям транспортных средств, и может быть применена во всех трансмиссиях транспортных средств, где требуется дифференциал, для передачи крутящего момента от главной передачи к полуосям и позволяет им вращаться с разной скоростью и на неровностях дороги, и при маневрах автомобилей, вездеходов и тракторов.
Известен самоблокирующийся дифференциал транспортного средства по патенту Российской Федерации №2324606, кл. В60К 17/16, F16Н 48/20, 2008 г., содержащий приводной корпус с крышками, в котором соосно друг другу размещены связанные с полуосями полуосевые элементы, имеющие на внешней поверхности винтовые канавки противоположного направления спирали, нечетное количество тел качения в виде шариков, заполняющих цепочкой выполненный в приводном корпусе с крышками, по меньшей мере, один замкнутый канал, содержащий вскрытую для погружения сегментов шариков в винтовые канавки полуосевых элементов рабочую канавку, выполненный в размер диаметра шарика продольный возвратный канал, соединенные переходными каналами, выполненными в крышках приводного корпуса, внешняя сторона переходных каналов в продольном сечении выполнена с радиусом 1,25 диаметра шарика, а стенка их на выходе в зону соединения с возвратным каналом содержит прямолинейный участок, а в крышках выполнена проточка в размер рабочей канавки и для расположения винтовых канавок полуосевых элементов в зоне переходных каналов, проточки в крышках выполнены шириной, не превышающей 0,75 диаметра шарика, на корпусе и крышках выполнены сквозные продольные отверстия под сборочные болты, а на торцах корпуса установлены фиксирующие штифты под установочные отверстия, выполненные на торцах крышек, одна из крышек корпуса выполнена с фланцем для крепления дифференциала на транспортном средстве.
В силу конструктивного исполнения данный дифференциал имеет небольшой ресурс работы, повышенный износ внутренних поверхностей замкнутого канала и непосредственно тел вращения - шариков, обусловленный тем, что шарики внутри замкнутого канала на разных его участках катятся неодинаково, а с разными скоростями. Это означает, что не выдержан зазор между шариками, который необходимо заложить таким в цепочке шариков, чтобы исключить заклинивание во время движения шариков по замкнутому каналу. Но относительно большой зазор не позволяет шарикам мягко переходить из одного элемента конструкции в другой, например, из винтовой канавки одного полуосевого элемента в винтовую канавку другого полуосевого элемента. А уменьшение зазора в цепочке шариков приводит к «клину» или «полуклину», а значит, к постепенному разрушению самой конструкции.
Известен самоблокирующийся дифференциал транспортного средства по патенту Российской Федерации №2319875, кл. F16Н 48/20, 2007 г., принятый заявителем за прототип. Он содержит приводной корпус, в котором соосно друг другу размещены связанные с полуосями полуосевые элементы, имеющие на внешней поверхности винтовые канавки противоположного направления спирали, тела качения в виде шариков, заполняющих цепочкой выполненный в приводном корпусе, по меньшей мере, один замкнутый канал, часть которого вскрыта для погружения сегментов шариков в винтовые канавки, замкнутый канал в продольном сечении выполнен прямоугольным со скругленными внешними углами, поперечное сечение ветвей прямоугольного замкнутого канала равно диаметру шариков, а количество шариков в канале нечетное.
К недостаткам данного дифференциала следует отнести низкую надежность конструкции, связанную с выполнением прямоугольного замкнутого канала. Прямые внутренние углы прямоугольного замкнутого канала и прямоугольный участок на внешней стенке переходного канала при движении цепочки шариков из переходных каналов в возвратный канал или в рабочую канавку приводят к торможению цепочки шариков. Это вызывает повышенное трение шариков с внешней стенкой замкнутого канала, а именно, с внешней стенкой переходных каналов и стенками в местах сопряжения крышек и корпуса (в зоне соединения переходных каналов с возвратным каналом), а также с внутренней стенкой замкнутого канала в углах перегородки между возвратным каналом и рабочей канавкой, что приводит к износу шариков, истиранию стенок переходных каналов, вызывающих возникновение зазора между шариками и удлинение цепочки шариков. Кроме того, при выходе из переходных каналов в полость между рабочей канавкой и винтовыми канавками полуосевых элементов шарики ударяются друг с другом и в торец полуосевых элементов, что приводит к износу и разрушению не только шариков и полуосевых элементов, но и механизма дифференциала в целом.
Технической задачей полезной модели является создание конструкции автоматического дифференциала с высокой степенью дифференциации, увеличивающей ресурс работы, не снижая технологичности и прочности конструкции, максимально исключив трение между шариками и стенками замкнутого канала и столкновения и удары шариков друг с другом преимущественно за счет достижения равности скоростей движения шариков на любом участке замкнутого канала.
Поставленная задача решается тем, что в предлагаемом решении внешняя стенка каждой переходной ветви замкнутого канала в продольном сечении выполнена по радиусу и сопряжена по касательной с внешней стенкой возвратной ветви замкнутого канала, причем внешняя стенка возвратной ветви замкнутого канала выполнена прямолинейной в виде касательной к внешней стенке каждой переходной ветви.
Кроме того, радиус - R внешней стенки каждой переходной ветви замкнутого канала в продольном сечении равен не меньше R≥r×π, где r - радиус шарика, π=3,14.
Такое условие позволяет шарикам на любом участке замкнутого канала двигаться с одинаковой скоростью и исключить зазор, который мог бы привести к «клину» или «полуклину», и как результат, к постепенному разрушению самой конструкции.
Технический результат от использования предлагаемого решения заключается в том, что за счет достижения равности скоростей движения шариков на любом участке замкнутого канала получен работоспособный автоматический дифференциал, имеющий высокий ресурс работы.
На фиг.1 изображен продольный разрез автоматического дифференциала транспортного средства в сборе;
на фиг.2 - корпус автоматического дифференциала, вид сверху.
Принцип работы автоматического дифференциала заключается в следующем.
При движении транспортного средства прямо все шарики в корпусе дифференциала находятся в состоянии покоя: в рабочей ветви, в возвратной ветви, в переходных ветвях замкнутого канала, а также в винтовых канавках полуосевых элементов. При этом они образуют замкнутую цепочку плотно прижатых друг к другу шариков. Зазор между шариками возможен, но очень минимальный, не допускающий разрыва замкнутой цепочки.
При совершении маневра автомобилем, например, поворота, шарики находящиеся в корпусе дифференциала: в замкнутом пазу и в винтовых канавках полуосевых элементов, приходят в движение не зависимо от направления поворота. Во время этого движения шарики также плотной цепочкой плавно перемещаются из винтовой канавки одного из полуосевых элементов и рабочей ветви замкнутого канала в переходную ветвь, а из нее в возвратную ветвь, откуда также плотной цепочкой плавно переходят в другую переходную ветвь, а затем, все также плавно, в рабочую ветвь и винтовую канавку другого полуосевого элемента. При совершении поворота автомобиля в другую сторону шарики совершают плавное движение в обратном направлении, при этом соблюдается плотность замкнутой цепочки шариков с оптимальным зазором 0,1-0,2 мм.
На практике при зазоре в цепочке шариков, в которой используют шарик, например, диаметром 12 мм равном 0,6-1,2 мм дифференциал работает с заеданием, что быстро приводит к разрушению винтовых канавок полуосевых элементов, ветвей замкнутого канала, шариков и всей конструкции дифференциала. При зазоре свыше 1,2 мм дифференциал вообще не работает. А при зазоре между шариками 0,1-0,2 мм, который определен как самый оптимальный, дифференциал работает в оптимальном режиме мягко, плавно и надежно.
Поэтому основным условием работоспособности автоматического дифференциала является плавность его хода, обусловленная соблюдением плотности цепочки шариков, не допуская ее разрыва. То есть шарики должны размещаться и в корпусе, и в крышках и в винтовых канавках полуосевых элементов, и в состоянии покоя и в во время движения без разрыва, но с оптимальным зазором, что обеспечивает автоматическому дифференциалу долгий срок бесперебойной работы.
Предлагаемый автоматический дифференциал транспортного средства соответствует этому условию.
Автоматический дифференциал транспортного средства содержит: приводной корпус 1, в котором соосно друг другу размещены связанные с полуосями 2 и 3 полуосевые элементы 4 и 5, имеющие на внешней поверхности многозаходные винтовые канавки 6 и 7 противоположного направления спирали, выполненной с перемычкой 8, тела качения в виде шариков 9, заполняющие цепочкой 10, по меньшей мере, один замкнутый канал И, выполненный в приводном корпусе 1. Часть замкнутого канала 11 (рабочая ветвь 12) вскрыта для погружения (вхождения) сегментов шариков 9 цепочки 10 в винтовые канавки 6 и 7 полуосевых элементов 4 и 5. Приводной корпус 1 с двух сторон закрыт большой торцевой крышкой 13 и малой торцевой крышкой 14.
Замкнутый канал 11 выполнен в продольном сечении с рабочей ветвью 12 и возвратной ветвью 15, которые с двух сторон соединены переходными ветвями 16. Соединенные таким образом между собой ветви 12,15 и 16 образуют замкнутый канал 11. Замкнутый канал 11 может быть выполнен или тангенциальным, или радиальным в поперечном сечении приводного корпуса 1.
Внешняя стенка 17 каждой переходной ветви 16 замкнутого канала 11 в продольном сечении выполнена по радиусу и сопряжена по касательной с внешней стенкой 18 возвратной ветви 15 замкнутого канала 11. Причем внешняя стенка 18 возвратной ветви 15 замкнутого канала 11 выполнена прямолинейной в виде касательной к внешней стенке 17 каждой переходной ветви 16. А радиус, по которому выполнена внешняя стенка 17 переходной ветви 16 замкнутого канала 11 в продольном сечении равен не меньше R≥r×π, где r - радиус шарика, π=3,14. Это, а также то, что межосевое расстояние между рабочей ветвью 12 и возвратной ветвью 15 замкнутого канала И выполнено несколько большим, чем в прототипе (патент №2319875), внутреннее сечение замкнутого канала 11 стало несколько большим, решило проблему повышенного трения и соударения шариков. А именно, шарики 9 и цепочка 10 шариков на любом участке замкнутого канала 11, особенно в каждой переходной ветви 16, стали двигаться плавно с равной скоростью., так как поперечное сечение всех ветвей замкнутого канала 11 выполнено равномерным в соответствии с диаметром шарика 9, а шарики 9 в замкнутом канале 11 и в винтовых канавках 6 и7 полуосевых элементов 4 и 5 образуют замкнутую цепочку 10 плотно прижатых друг к другу шариков 9, но с оптимальным зазором 0,1-0,2 мм.
Кроме того, изготовление замкнутого канала 11 и винтовых канавок 6 и 7 с жестким соблюдением технологии позволило исключить удары шарика 9 о винтовую канавку или 6, или 7 при вхождении в нее и определить плавность его качения и в винтовой канавке или 6, или 7 и в замкнутом пазу 11.
На приводном корпусе 1 и в малой торцевой крышке 14 выполнены сквозные продольные отверстия 19 под сборочные болты 20, а в большой торцевой крышке 13 выполнены сквозные отверстия 21 с резьбой для стяжки сборочными болтами 20 малой торцевой крышки 14 и приводного корпуса 1 с большой торцевой крышкой 13.
Причем для правильной ориентации установки крышек 13 и 14 на приводном корпусе 1 с каждого торца приводного корпуса 1 выполнены глухие отверстия 22 под штифты, а в крышках 13 и 14, соответственно, выполнены глухие отверстия под установку соответствующих штифтов приводного корпуса 1 и позиционирования крышек на корпусе.
Большая торцевая крышка 13 выполнена в виде фланца со сквозными отверстиями 23 для крепления венца главной передачи.
Автоматический дифференциал транспортного средства работает следующим образом.
При прямолинейном движении транспортного средства вращение от приводного корпуса 1 дифференциала через шарики 9, контактирующие с винтовыми канавками 6 и 7 полуосевых элементов 4 и 5, передается на полуоси 2 и 3 автомобиля и далее на ведущие колеса, обеспечивая им одинаковую угловую скорость. При маневрах автомобиля или попадании одного из ведущих колес транспортного средства на неровности дороги колеса, а следовательно, и полуоси 2 и 3 с полуосевыми элементами 4 и 5 стремятся вращаться с разными угловыми скоростями. При этом шарики 9 начинают плавно перемещаться по замкнутому каналу 11, не препятствуя маневру транспортного средства. При попадании какого-либо ведущего колеса, например, на скользкий участок дороги происходит резкое снижение его сцепления с дорогой. При этом шарики 9 в дифференциале расклиниваются полуосевыми элементами 4 и 5, дифференциал блокируется и автоматически передает мощность на то колесо, у которого сцепление с дорогой лучше. Автомобиль продолжает движение без пробуксовки.
Цепочка 10 из шариков 9, размещенная в замкнутом канале 11, по условиям работы дифференциала должна сохранять оптимальные зазоры между собой и стенками замкнутого канала 11. Причем нечетное количество шариков в замкнутом канале 11 обеспечивает свободное плавное движение цепочки 10 шариков 9 с неизменяющимся, оптимальным зазором между шариками 9 и одинаковой скоростью их перемещения. Такая цепочка 10 шариков 9 будет иметь максимальное самоторможение за счет плавного и равномерного перемещения шариков 9 в процессе работы дифференциала.
Это обеспечивается за счет выполнения внутреннего сечения замкнутого канала 11 несколько большим, чем канал прототипа, и за счет выполнения внешней стенки 17 каждой переходной ветви 16 замкнутого канала 11 радиусом - R равным не меньше R≥r×π, где r - радиус шарика, π=3,14 в отличие от прототипа, где эта же стенка выполнена со скруглениями, которые только сужают переходные ветви, поэтому в прототипе происходит торможение и неравномерность перемещения цепочки 10 шариков 9 по всему замкнутому каналу 11.
Известные дифференциалы, в основном, изготавливают с предварительным натягом, а заявляемый дифференциал является автоматическим. Он выполнен и работает без предварительного натяга, поэтому, например, подвешенное, свободное колесо при включенной передаче не будет вращаться - крутящий момент на него не передается, а передается на то колесо, у которого имеется сцепление с дорогой. В известных дифференциалах с предварительным натягом такого не наблюдается - подвешенное, свободное колесо, хотя и с малой скоростью, все равно будет вращаться. Это происходит потому, что у дифференциалов с предварительным натягом дифференцирование скорости вращения не автоматическое, а такое как ему его задали.
Использование предлагаемого технического решения позволило создать автоматическую конструкцию дифференциала с высокой степенью дифференциации угловой скорости колес при маневрах автомобиля и дифференциации передаваемого момента вращения колесам в зависимости от коэффициента сцепления колеса с дорогой, с высоким ресурсом работы без дефектов, не снижая технологичности и прочности конструкции, максимально исключив трение между шариками и стенками замкнутого канала, столкновения и удары шариков друг с другом за счет достижения равенства скоростей и плавности движения шариков на любом участке замкнутого канала не зависимо от направления движения транспортного средства и состояния дорожного покрытия, и за счет размещения шариков без разрыва с соблюдением оптимального зазора между ними.
И, как следствие этого, испытания это подтвердили, значительно улучшилась проходимость автомобиля по бездорожью и повысилась устойчивость автомобиля при движении по гололеду.