Дифференциалы колесных тракторов

Дифференциал - механизм трансмиссии, выполняющий функцию распределения подводимого к нему крутящего момента между колесами и ни мос тами и позволяющий ведомым валам вращаться, как с одинаковыми, так и с разными угловыми скоростями, кинематически связанными между собой.

Чаще всего дифференциал устанавливают между центральной передачей и ведущими колесами конечных передач. Дополнительно дифференциал могут устанавливать между ведущими мостами трактора.

Дифференциал не влияет на общее передаточное число трансмиссии трактора. Он обеспечивает качение ведущих колес трактора без проскальзывания на поворотах и при движении по неровному пути.

При отсутствии дифференциала и жесткой кинематической связи ведущих колес их вращение сопровождалось бы взаимным скольжением или буксованием относительно почвы или дорожного полотна. Возникающая при этом паразитная мощность увеличивала бы износ деталей трансмиссии, протекторов шин и расход топлива на преодоление дополнительных сопротивлений движению трактора.

Дифференциалы классифицируют по следующим основным признакам:

по конструктивному исполнению - шестеренные, червячные, кулачковые и обгонные;

по месту расположения в трансмиссии - межколесные и межосевые;

по соотношению крутящих моментов на ведомых валах - с постоянным соотношением моментов (простой симметричный и простой несимметричный), с непостоянным соотношением моментов (с принудительной блокировкой и самоблокирующиеся);

по форме корпуса дифференциала - закрытые и открытые.

Червячные и кулачковые дифференциалы не получили распростра­нения на отечественных тракторах. Шестеренные дифференциалы выполняются с цилиндрическими или коническими прямозубыми шестернями. На отечественных тракторах применяются в основном дифференциалы с коническими шестернями. На некоторых новых моделях тракторов стали применять дифференциалы с цилиндрическими шестернями.

Рассмотрим принципиальные кинематические схемы некоторых простых шестеренных дифференциалов с постоянным соотношением моментов на ведомых валах (рис. 5.7).

Дифференциал, распределяющий крутящий момент между выходными валами поровну, называют симметричным.

Дифференциал, распределяющий крутящий момент между выходными валами не поровну, называют несимметричным.

В межколесном приводе трактора применяют только симметричные дифференциалы - конические (рис. 5.7,а) и цилиндрические (рис. 5.7,6). На тракторах самое широкое распространение получили простые симметричные конические дифференциалы. Хотя на некоторых новых моделях тракторов стали применять и цилиндрические дифференциалы.

Несимметричные простые дифференциалы (рис. 5.7,в и г) применяют только в межосевом приводе, когда вертикальная нагрузка на ведущие мосты трактора различна. Более широкое распространение получили несимметричные цилиндрические дифференциалы (рис. 5.7,в). На отечественных тракторах межосевые дифференциалы не применяют.

Силовые связи в дифференциале определяют соотношение моментов между центральными звеньями.

Рассмотрим принцип работы дифференциала на примере простого симметричного конического (рис. 5.8). При передаче крутящего момента от двигателя на корпус дифференциала в месте контакта сателлитов с осью их вращения возникает сила F. Так как сателлит можно представить в виде рычага с равными плечами, то сила F делится пополам между полуосевыми шестернями.

Тогда момент, подводимый к корпусу дифференциала,

Мв= FB,

а момент, подводимый к левой и правой полуосевым шестерням,

Ма1=Ма2=0,5FB=0.5Mв

Это равенство выражает первое свойство простого симметричного дифференциала (без учета потерь на трение)- равное распределение моментов между полуосевыми шестернями.

Таким образом, для любых схем простых симметричных дифференциалов (рис. 5.7,а и б), пренебрегая внутренними потерями на трение, моменты на полуосях распределяются поровну:

Ма1=Ма2=0,5Мв и Мв=Ма1+Ма2,

где Мв, Ма1 и Ма2 — крутящий момент, подводимый соответственно к корпусу 4 дифференциала, левой 2 и правой 6 полуосевым (солнечным) шестерням.

Рис. 5.8. Схема, поясняющая работу простого симметричного конического дифференциала

Для простого несимметричного цилиндрического дифференциала (см. рис. 5.7,в) крутящий момент Мс, подводимый к эпициклической шестерне, больше чем к солнечной Ма. При этом
Мс=Мак,
где к = Zc/Za- характеристика трехзвенного дифференциального механизма (передаточное число при остановленном корпусе дифференциала); Zc и Za- число зубьев соответственно эпициклической и солнечной шестерен дифференциала.

В существующих конструкциях несимметричных дифференциалов
к = 1,5...4,5.

Момент, подводимый к корпусу дифференциала,
Мв=Ма+Мс,

где Ма =Мв/(1 + к), а Мс = Мвк/(1 + к).

В простом несимметричном коническом дифференциале (см. рис. 5.7,г)

Ма2 = Ма1 К ,

где к = Za2/Za1 - характеристика трехзвенного дифференциального механизма (передаточное число при остановленном корпусе дифференциала); Za2 и Za1- число зубьев соответственно большой и малой полуосевых (солнечных) шестерен.

При этом
Mв=Ma1+Ma2,

где Ma1 = Mв/(1 + к), а Ma2 = Mвк/(1 + к).

Кинематические связи в дифференциале представляются уравнением кинематики трехзвенного дифференциального механизма, связывающим между собой частоты вращения всех центральных звеньев. Для шфференциалов с внешним зацеплением шестерен (рис. 5.7, а, б иг) это уравнение выражает второе свойство дифференциала (кинематическое) и имеет вид:

nа1+к nа2-(\ + к) nв= О,

где nа2 и nа2 — частоты вращения полуосевых (солнечных) шестерен дифференциала; nв - частота вращения корпуса дифференциала.

У симметричных дифференциалов (см. рис. 5.7,а и б) к = 1, так как Za2 = Za1. Тогда уравнение кинематики для них примет вид:

nа1,+nа2=2nв и (nа1 +nа2)/2=nв.

Из полученного выражения следует, что при изменении частоты вращения nа1 левой полуосевой шестерни автоматически изменяется частота вращения nа2 правой полуосевой шестерни (см. рис. 5.1,а).

При притормаживании одной из полуосевых шестерен начнут проворачиваться сателлиты и увеличиваться частота вращения второй полуосевой шестерни. При остановке одной из полуосевых шестерен частота вращения другой полуосевой шестерни увеличится в 2 раза. Так, при

nа1 = 0 nа2 = 2nв,

Таким образом, второе свойство дифференциала (кинематическое) позволяет левым и правым колесам трактора вращаться с разными угловыми скоростями при движении на поворотах и по неровностям пути. При этом частоты вращения левого и правого колес трактора кинематически связаны между собой.

Уравнение кинематики для несимметричного цилиндрического дифференциала с комбинированным зацеплением шестерен (рис. 5,7,в) имеет вид:

nа+ k nс - (1+k) nв =0,

где nа и nс — частота вращения соответственно солнечной и эпициклической шестерен дифференциала.

Простой симметричный конический дифференциал (см. рис. 5.2),состоит из корпуса 3, сателлитов 5, осей 2 вращения сателлитов, полуосевых шестерен 1 и 4. Ведущим звеном дифференциала является корпус 3, ведомыми - полуосевые шестерни 1 и 4. У простого симметричного дифференциала полуосевые шестерни 1 и 4 имеют одинаковое число зубьев.

При прямолинейном движении трактора полуосевые шестерни вращаются вместе с корпусом дифференциала. Сателлиты 5 при этом неподвижны относительно оси 2. При движении трактора по криволинейной траектории или по неровностям пути скорость вращения одной из полуосевых шестерен уменьшается, а другой пропорционально возрастает вследствие вращения сателлитов 5 относительно оси 2. В этой конструкции четыре сателлита, каждая пара которых устанавливается на свою ось вращения 2. Для смазывания оси 2 в месте посадки сателлитов имеют лыски или спиральные канавки, удерживающие масло.

В ряде конструкций простых симметричных дифференциалов (см. рис. 5.6) сателлиты устанавливают на шипы крестовины 11. При этом число шипов крестовины (три или четыре) равно числу сателлитов. На рис. 5.6 дифференциал имеет три сателлита.

Свойство дифференциала делить подводимый к его корпусу крутящий момент в определенной пропорции между ведомыми валами приводит в ряде случаев к потере проходимости трактора.

Рассмотрим это на примере простого симметричного межколесного конического дифференциала. Предположим, что левое колесо трактора находится на поверхности с малым значением коэффициента (ртп сцепления (грязь, мокрая глина, лед и т. п.) и пробуксовывает с моментом (см. рис. 5.8)

Ма1=М φmin,

где М φmin - предельный момент по сцеплению левого колеса трактора с опорной поверхностью.

Правое колесо находится на поверхности с высоким значением коэффициента φmax сцепления и могло бы реализовать момент

Ма2 = М φmax,

где М φmax - предельный момент по сцеплению правого колеса трактора с опорной поверхностью.

Однако к нему подводится только момент, согласно первому свойству дифференциала.

Таким образом, суммарный крутящий момент на ведущих колесах трактора

Мк = Мв = 2 М φmin

Величины этого момента может оказаться недостаточно для преодо­ления сопротивления движению трактора. В результате трактор будет стоять на месте, а левое колесо будет вращаться при неподвижном правом колесе.

Если заблокировать дифференциал, то каждое колесо сможет реализовать свои возможности по сцеплению с почвой.

В этом случае суммарный крутящий момент, подводимый к колесам,

М* = М φmin +М φmax > 2 М φmin

Для осуществления принудительной блокировки дифференциала необходимо соединить между собой любые два центральные звена (корпус дифференциала, полуосевые шестерни). Возможные варианты блокировки простых симметричных дифференциалов показаны на рис. 5.9.

Рис. 5.9. Способы блокировки мсжколесного дифференциала:

1- центральная передача; 2 - корпус дифференциала; 3 - полуосевая шестерня; 4 - зубчатая муфта; 5 - ось вращения сателлитов; б - блокировочное фрикционное сцепление; 7- шестерни конечной передачи; 8 - дифференциал; 9 - шестерня привода блокировочного валика; 10 - блокировочный валик; 11 -блокировочная шестерня-каретка

На схеме, представленной на рис. 5.9,а, блокировка дифференциала осуществляется с помощью зубчатой муфты 4, соединяющей между собой корпус 2 дифференциала и полуосевую шестерню 3. Такой способ блокировки дифференциала получил широкое распространение на тракторах и автомобилях повышенной проходимости. Однако он не позволяет блокировать дифференциал при движении трактора.

Более перспективна блокировка дифференциала с помощью фрикционного сцепления б (рис. 5.9,6), которое при включении соединяет между собой ось 5 вращения сателлитов и полуосевую шестерню 3. Такой способ
в отличие от предыдущего позволяет блокировать дифференциал при движении фактора. В результате существенно повышается его проходимость.

Блокировка дифференциала возможна также с помощью специального блокировочного валика 10 (рис. 5.9,я), дополнительно устанавливаемого в трансмиссию трактора. Блокировка дифференциала 8 осуществляется с помощью блокировочной шестерни-каретки 11, соединяющей левую и правую полуоси дифференциала через шестерни 7 конечной передачи.

В случае блокировки дифференциала с помощью зубчатой муфты 4 (рис. 5.9,г) при включении зубчатой муфты 4 блокируются левое и правое зубчатые колеса конечной передачи 7, а следовательно, и полуоси дифференциала 8.

Следует отметить, что способы блокировки дифференциала, представленные на рис. 5.9,в и рис. 5.9г не позволяют блокировать дифференциал при движении трактора.

Принудительной блокировкой дифференциала необходимо пользо­ваться только кратковременно для преодоления возникших дорожных препятствий и для обеспечения требуемой маневренности трактора при выполнении полевых и транспортных работ. Принудительная блокировка дифференциала в нормальных условиях эксплуатации приводит к интенсивному изнашиванию шин и, в ряде случаев, к потере управляемости трактора. Особенно опасна принудительная блокировка дифференциала при выполнении трактором транспортных работ в условиях гололеда. Здесь возможна полная потеря управляемости трактора, что может привести к серьезной аварийной ситуации.

Дифференциалы повышенного трения (самоблокирующиеся) позволяют к ведущему колесу, находящемуся в лучших условиях по сцеплению с опорной поверхностью, подводить больший крутящий момент.

Рассмотрим схему (рис. 5.10), поясняющую работу дифференциала повышенного трения. Левая 1 и правая 2 полуоси дифференциала связаны между собой пакетом сжатых фрикционных дисков. При разных угловых скоростях левой 1 и правой 2 полуосей дифференциала диски, проворачиваясь, создают момент трения М γ.

Левое колесо трактора находится на поверхности с плохим коэффициентом сцепления φmin (грязь, мокрая глина, лед и т. п.), а правое - на поверхности с хорошим коэффициентом сцепления φmax. К корпусу дифференциала подводится момент М в, который распределяется между левой 1 и правой 2 полуосями.

Предположим, что из-за плохих сцепных свойств произошел срыв в контакте левого колеса с опорной поверхностью. Это колесо начинает пробуксовывать и левая полуось 1 проворачивается относительно правой полуоси 2. Таким образом, левая полуось 1 дифференциала вращается с угловой скоростью ω а1, большей, чем угловая скорость ω а2правой полуоси 2. При этом забегающая полуось нагружается крутящим моментом, ве­личина которого ограничивается предельным моментом по сцеплению буксуюшего колеса с грунтом:

М заб = М а1 = М φmin

При своем вращении забегающая полуось 1 за счет трения в дифференциале увлекает за собой отстающую полуось 2. Вследствие этого крутящий момент на отстающей полуоси дифференциала увеличивается на величину момента трения М γ в дифференциале:

М om = М а2 = М φmin+ М γ,

Так как крутящий момент, подводимый к корпусу дифференциала,

Мв = Ма1 + Ма2 = 2М φmin М γ,

то моменты на его полуосях определятся из выражений:

М заб = Ма1 = 0,5 (Мв-М γ); М om = Ма2 = 0,5 (Мв +М γ).

Из полученных выражений видно, что при повышении момента М γ трения в дифференциале увеличивается момент М om на отстающей полуоси 2, который может быть реализован на небуксующем колесе трактора.

Таким образом, для повышения тяговых показателей трактора необходимо увеличивать момент трения М γ в дифференциале. Однако при этом необходимо помнить, что при движении трактора по криволинейной траектории по твердой опорной поверхности (асфальт, бетон) с увеличением момента трения М γ в дифференциале возрастает интенсивность изнашивания шин.

Распределение крутящего момента между ведущими колесами трактора оценивается коэффициентом блокировки дифференциала.

В отечественной и зарубежной литературе по тракторам и автомобилям иопьзуются две трактовки коэффициента блокировки дифференциала.

1. Под коэффициентом блокировки КБ дифференциала понимают отношение момента трения М γ в дифференциале к моменту Мв, подводимому к его корпусу:

где КБ =0... l,0; КБ = 0 при М γ = 0; КБ = 1,0 при М γ = Мв ( полная блокировка дифференциала).

У применяемых на тракторах и автомобилях дифференциалах повышенного трения КБ = 0,3...0,5.

2. Под коэффициентом блокировки дифференциала КБ* понимают отношение момента М оm, подводимого к отстающей полуоси дифференциала, к моменту М заб, подводимому к забегающей полуоси дифференциала:

КБ* =

В существующих конструкциях дифференциалов повышенного трения КБ* = 2...3.

Соотношение между величинами КБ и КБ* имеет вид:

На современных тракторах широкое распространение получили шестеренные дифференциалы повышенного трения. Причем эти дифференциалы, как правило, устанавливаются в переднем ведущем мосту трактора.

На рис. 5.11 представлена схема шестеренного дифференциала повышенного трения переднего ведущего моста тракторов МТЗ. Дифференциал является самоблокирующимся, так как его момент трения МТ про­порционален моменту Мв, подводимому к корпусу 2 дифференциала. Это достигается следующим образом. При работе дифференциала крутящий момент от корпуса 2 передается на оси 3 и 9 вращения сателлитов, сателлиты 4, полуосевые шестерни 5 и далее на полуоси 8. На концах осей 3 и 9 вращения сателлитов под углом 120° выполнены скосы, соответственно ко­торым в корпусе 2 дифференциала выполнены гнезда - пазы.

Возникающие при передаче крутящего момента на скосах корпуса 2 и осей вращения сателлитов осевые силы перемещают ось 3 влево, а ось 9 вправо. В результате сателлиты 4 перемещают нажимные стаканы 6 и сжимают комплекты блокировочных фрикционных дисков 7. Крутящий момент от корпуса дифференциала на полуосевые шестерни передается двумя потоками: первый поток - через оси вращения сателлитов 3 и 9, сателлиты 4 на полуосевые шестерни 5; второй поток - через корпус 2, комплект блокировочных фрикционных дисков 7 на полуосевые шестерни 5. У •питогоУ данного дифференциала коэффициент блокировки КБ= const (см. выражение 5.1).

Это свойство дифференциала является положительным, так как при малых сопротивлениях движению трактора (движение по хорошей дороге) в дифференциале создается малый момент трения М γ. При увеличении сопротивления движению пропорционально возрастает момент М γ.

Таким образом, дифференциал автоматически приспосабливается к фону опорной поверхности, по которому движется трактор. При этом в случае эксплуатации трактора на твердой опорной поверхности (асфальт, бетон) ввиду малого момента трения М γ в дифференциале сопротивление относительному проворачиванию его полуосей 8 незначительное. Следовательно, дифференциал оказывает очень малое влияние на интенсивность изнашивания шин.

Отличительной особенностью различных схем шестеренных дифференциалов и повышенного трения является способ создания сил, сжимающих комплекты блокировочных фрикционных дисков. В рассмотренной схеме силы создаются на скосах, выполненных на концах осей 3 и 9 вращения сателлитов под углом 120°.

На рис. 5.12 показан дифференциал, в котором сжатие комплектов блокировочных фрикционных дисков 1 осуществляется за счет осевых сил в зацеплении полуосевых шестерен 2 с сателлитами 3. Полуосевые шестерни 2 под действием осевых сил перемешаются и сжимают комплекты блокировочных фрикционных дисков. При этом сила сжатия дисков пропорциональна подводимому к корпусу дифференциала крутящему моменту.

На рис. 5.13 сжатие комплектов блокировочных дисков осуществляется ку­лачковым нажимным устройством. Для этого на торцовых поверхностях полуосевых шестерен 3 и нажимных дисков 4 выполнены трапецеидальные кулачки. Нажимные диски 4 с помощью шлиц связаны с полуосями дифференциала.

При передаче крутящего момента через сател­литы 2 на полуосевые шестерни 3 и далее на нажимные диски 4 в контакте кулачков действует окружная сила Ft которая раскладывается на нормальную Fn и осевую Fx силы. Осевая сила Fx, сжимая комплекты блокировочных фрикционных дисков, создает момет трения М γ в дифференциале. Здесь, как и в рассмотренных конструкциях дифференциалов повы­шенного трения, момент трения в дифференциале пропорционален моменту, подводимому к его корпусу.

Червячные и кулачковые дифференциалы не получили распространения на тракторах из-за высокого момента трения М γ и связанного с ним большого износа шин, низкой надежности и высокой стоимости. Поэтому их конструкции не рассматриваются.

Обгонные дифференциалы иногда применяют на современных тракторах. Эти механизмы не имеют никакого отношения к дифференциалам, так как связь между частотами вращения их звеньев не описывается уравнением кинематики трехзвенного дифференциального механизма. Однако в настоящее время их ошибочно называют дифференциалами. Эти механизмы позволяют левой и правой полуосям вращаться вместе с одинаковой угловой скоростью и отключать одну полуось, передавая весь крутящий момент от корпуса на другую.

Такой механизм применяется в переднем и заднем ведущих мостах тракторов К-701/703 (рис. 5.14,а). Он состоит из корпуса, образованного двумя чашками 1и4, ведущей муфты 2, кольца 7 ведущей муфты, двух ведомых полумуфт 5 с разрезанными кольцами 6, двух ступиц 10 и пружин 9 со стаканами. Ведомы полумуфты 5 пружинами 9 постоянно поджимаются к ведущей муфте 2.

На торцовых поверхностях ведущей муфты 2 нарезаны радиальнорасположенные зубья прямоугольного сечения. В ее отверстие вставлено кольцо 7, удерживаемое от осевого смещения пружинным кольцом 8, а от проворачивания шпонкой 3. На торцовых поверхностях кольца 7 ведущей муфты нарезаны зубья трапецеидального профиля. В зацеплении с ведущей муфтой 2 находятся две ведомые полумуфты 5, прижимаемые к ней пружинами 9 и имеющие на торцовых поверхностях, обращенных к ведущей муфте, по два ряда концентрически расположенных зубьев.

Верхний ряд зубьев имеет прямоугольное сечение профиля и входит в зацепление с зубьями ведущей муфты 2 (рис. 5.14,6). Нижний ряд с зубьями трапециевидальной формы входит в зацепление с зубьями кольца 7 ведущей муфты. На каждой ведомой полумуфте 5 посажено разрезное пружинное кольцо 6 с торцовыми зубьями трапецеидальной формы и входящими и ицепление с зубьями кольца 7 ведущей полумуфты. Для ограничения угла поворота кольца 6 относительно ведущей муфты 2 служит шпонка 3, находящаяся в прорези кольца. Ступицы 10 связывают ведомые

Рис. 5.14. Обгонный дифференциал ведущих мостов К - 701/703: а- конструкция; б- основные детали; в- положение ведущей муфты и ведомых полумуфт при повороте трактора; г- положение разрезанного кольца и кольца ведущей муфты при повороте трактора.

При прямолинейном движении трактора ступицы 10 полностью заблокированы и вращаются со скоростью ведомого колеса центральной передачи. При этом крутящий момент передается зубьями ведущей муфты 2 на верхний ряд зубьев прямоугольного сечения ведомых полумуфт 5 и далее на ступицы 10 и полуоси, связанные с ведущими колесами трактора через конечные передачи.

Аналогично положение ведущей муфты 2 и ведомых полумуфт 5 при движении трактора накатом вперед и назад, а также назад под действием тягового усилия (здесь меняется только рабочая сторона контакта зубьев).

При движении трактора на повороте наружная относительно центра поворота полумуфта 5 стремиться вращаться быстрее, чем внутренняя и корпус механизма (рис. 5.14 в) В результате она в начале разгружается от передаваемого усилия и далее проворачивается вперед относительно ведущей муфты 2 в пределах зазора между зубьями прямоугольного сечения.

Но так как нижний ряд зубьев ведомой полумуфты 5 находится в зацеплении с зубьями кольца 7, то поворот полумуфты вперед сопровождается выходом ее из зацепления с кольцом: происходит перемещение зубьев наружной полумуфты 5 относительно зубьев кольца 7 вследствие их трапецеидальной формы. При этом наружная полумуфта 5 перемещается в осевом направлении относительно ведущей муфты 2, сжимая пружину 9. II результате верхний ряд зубьев прямоугольного профиля ведомой полу­муфты 5 выходит из зацепления с зубьями ведущей муфты 2.

Одновременно с отключением ведомой полумуфты выходит из зацепления и расположенное на ней разрезное кольцо 6 (см. рис. 5.14,г), которое, повернувшись вместе с полумуфтой в пределах ширины прорези (на половину шага зубьев), будет остановлено шпонкой 3 в тот момент, когда иершины его зубьев расположатся строго напротив вершин зубьев кольца 7. Такое положение кольца 6 удерживает от включения наружную полумуфту 5, которая свободно вращается с угловой скоростью, определяемой коростью вращения забегающего колеса трактора при повороте. При выходе из поворота угловая скорость вращения наружной полумуфты 5 уменьшается и она за счет сил трения поворачивает разрезное кольцо 6, которое при этом сходит с вершин зубьев кольца 7 и вместе с ней под действием пружины 9 входит в зацепление с зубьями ведущей муфты 2 и ее кольца 7.

Таким образом, на протяжении всего поворота крутящий момент на полуось забегающего колеса не передается. При движении накатом на повороте происходит отключение полуоси отстающего колеса аналогично предыдущему случаю.

Работа механизма на поворотах при движении трактора назад не отличается я от работы на поворотах при движении вперед.

Уход за дифференциалами. Техническое обслуживание дифференциалов неразрывно связано с техническим обслуживанием центральной передачи трактора.

В зависимости от конструкции дифференциалов и их блокировочных механизмов может производиться периодическая регулировка зацепления конических шестерен и их блокировочных устройств.

Внешним признаком ненормальной работы дифференциала является повышенный уровень шума его шестерен при повороте трактора, что указывает на нарушение их зацепления, вследствие износа зубьев и опорных шайб 19 под торцами сателлитов (см. рис. 5.2).

В так называемых обгонных дифференциалах возможно смятие и изнашивание торцовых зубьев силопередающих и управляющих звеньев или поломки храповиков. При подобных дефектах необходима замена соответчики деталей.