Шарниры равных угловых скоростей

Передние ведущие колеса полноприводных и переднеприводных автомобилей являются также и управляемыми, т.е. должны поворачиваться, что требует использования между колесом и полуосью шарнирного соединения. Шарниры неравных угловых скоростей передают вращение циклически и работают при небольших значениях углов между валами, что делает в этом случае их применение проблематичным. В этих условиях нашли применение шарниры равных угловых скоростей. В переднеприводном автомобиле обычно используют два внутренних таких шарнира (связаны с коробкой передач) и два внешних (крепятся к колесам). Они устроены так: в каждом шарнире имеются две главные детали – корпус и обойма, одна в другой. В этих деталях выполнены канавки с шариками, которые по сути дела, жестко соединяют обе сферические детали, через них и передается вращение от двигателя к колесу. В тоже время, двигаясь в канавках, шарики позволяют одной сферической детали поворачиваться относительно другой и при этом осуществлять поворот колеса. При этом точки контакта, через которые передаются окружные силы, должны находиться в плоскости, проходящей через биссектрису угла между валами. Это условие обеспечивается объединением двух обычных карданных шарниров неравных угловых скоростей так, чтобы ведомая вилка одного служила ведущей вилкой другого. Такая конструкция называется сдвоенным карданным шарниром.

Главная передача обеспечивает постоянное увеличение крутящего момента и передачу его на полуоси, расположенные под углом 90 к продольной оси автомобиля и далее к ведущим колесам. По типу основных пар шестерен главные передачи разделяются на червячные, конические, гипоидные и цилиндрические.

Если главная передача имеет одну пару шестерен, то ее называют одинарной, если две пары – двойной. Одинарные применяются главным образом на легковых автомобилях, а двойные – на автомобилях большой и средней грузоподъёмности.

Червячная главная передача по сравнению с главными передачами других типов имеет наименьшие габариты и наиболее бесшумна. Однако она имеет низкий КПД (0,9-0,92), трудоемка и изготовлении и требует применения для зубчатого венца дорогостоящей оловянистой бронзы. В связи с этим в настоящее время не применяется.

Коническая главная передача. Конструктивной особенностью ее является то, что вершины начальных конусов ведущей и ведомой шестерен лежат в одной точке. Силы, действующие между шестернями такой передачи, стремятся нарушить правильность зацепления конических шестерен и поэтому необходимо обеспечить достаточную жесткость всех элементов главной передачи.

Коническая передача имеет достаточно высокий КПД (0,97 – 0,98), т.к. между зубьями невелико трение скольжения. В то же время имеет небольшие габариты и является самой шумной из существующих передач.

Гипоидная главная передача в отличие от конической имеет непересекающиеся оси зубчатых колес. При этом ось ведущей шестерни смещена относительно оси ведомой шестерни, как правило, вниз. Основным достоинством гипоидной передачи являются: меньшие по сравнению с конической габариты; меньшая нагрузка на зуб и низкий уровень шума, так как в зацеплении постоянно находится большее, по сравнению с конической передачей, число зубьев; возможность влияния на компоновку автомобиля (понижение центра масс, уменьшение тоннеля в полу кузова, через который проходит карданная передача и т.д.). В то же время наличие смещения обусловливает присутствие в зацеплении повышенного трения скольжения, что снижает КПД до 0,96.

Цилиндрическая главная передача применяется в переднеприводных автомобилях при поперечном расположении двигателя. В существующих конструкциях зубья цилиндрической передачи выполняются косыми или шевронными. Передаточное число обычно принимают равным 3,5 – 4,2. Увеличение передаточного числа вышеуказанного диапазона приводит к увеличению габаритов и уровня шума главной передачи. КПД цилиндрической пары наиболее высокий – не менее 0,98 – 0,99.

Двойные главные передачи применяются на грузовых автомобилях при необходимости получения больших передаточных чисел. По компоновке они выполняются центральными или разделенными. Центральные двойные главные передачи представляют собой сочетание конической или гипоидной пары с цилиндрической, которые объединены в общем картере.

Разнесенные главные передачи состоят из центрального редуктора в виде конической или гипоидной пары и двух редукторов, размещенных в ступицах колеса или близко к колесам.

При повороте автомобиля, все его колеса проходят разный путь по длине, и если между двумя ведущими колесами существует жесткая связь, они начнут проскальзывать. Скольжение колес при повороте приводит к повышенному расходу топлива, износу шин, нарушению устойчивости и т.д. Дифференциал передаёт крутящий момент от главной передачи к полуосям и позволяет им вращаться с разной скоростью при совершении поворота автомобилем и на неровностях дороги.

Дифференциал позволяет ведомым валам вращаться с разными угловыми скоростями и выполняет функции распределения подводимого к нему крутящего момента между колесами или ведущими мостами. Это необходимо, чтобы предотвратить проскальзывание колёс(а, следовательно, путь, проходимый колёсами неодинаков; при разном давлении в шинах или неравномерном распределении груза в кузове, когда радиусы качения колёс оказываются разными. Дифференциалы бывают межколесными и межосевыми (в случае установки между несколькими ведущими мостами).

Дифференциал (рис. 23) состоит из коробки 2, крестовины 5, сателлитов 4 и 9, и двух конических полуосевых шестерён 3 и 7. Сателлиты свободно вращаются на шинах крестовины, которая жёстко закреплена в коробке дифференциала между чашками.

Крутящий момент от ведомой шестерни 6 через коробку дифференциала, крестовину, сателлиты и полуосевые шестерни передаётся на полуоси и на колёса автомобиля. При прямолинейном движении по ровной дороге когда сопротивление качению колёс автомобиля одинаково, полуоси вращаются с одинаковой скоростью, а сателлиты не вращаются и как бы заклинивают полуосевые шестерни, передавая на них одинаковый крутящий момент. Дифференциал оказывается заблокированным, т.е. коробка дифференциала и обе полуоси вращаются с одинаковой частотой. При движении на повороте или при изменении сопротивления качению одного из колёс скорости вращения полуосей будут различными. Сателлиты при этом поворачиваются на шипах крестовины и обкатываются по полуосевым шестерням. При этом угловая скорость коробки дифференциала во всех случаях остаётся равной полусумме угловых скоростей полуосей. Дифференциал, таким образом, способствует лишь перераспределению скоростей между полуосями.

В настоящее время все автомобили имеют межколесные дифференциалы на ведущих мостах. Наиболее распространенным является конический симметричный дифференциал, включающий в себя: корпус, сателлиты, ось сателлитов (или крестовину) и полуосевые шестерни. Обычно число сателлитов в дифференциалах легковых автомобилей – два, грузовых и внедорожных – четыре.

Симметричный дифференциал получил свое название за способность распределять подводимый момент поровну при любом соотношении угловых скоростей, соединенных с ним валов. Применение такого дифференциала в качестве межколесного, обеспечивает устойчивость при прямолинейном движении, а также при торможении двигателем на скользкой дороге.

Существенным недостатком обычного дифференциала является снижение проходимости автомобиля, если одно из его колес попадает в условия малого сцепления с опорной поверхностью. При этом на колесо находящееся в нормальных сцепных условиях, нельзя подвести крутящий момент, превышающий тот, который может быть реализован на колесе, находящемся в условиях малого сцепления (это приводит к пробуксовке колеса).

Если распределение момента по осям неравное, то большая часть момента обычно передается к задним колесам. Это объясняется тем, что при разгоне автомобиля или движении на подъем большая часть массы автомобиля перераспределяется на задние колеса и они могут реализовать больший крутящий момент, чем передние, и, кроме того, уменьшение доли крутящего момента, поступающего к передним колесам, улучшает управляемость автомобиля и меньше подвергает ее влиянию изменения крутящего момента. Для любого автомобиля с четырьмя ведущими колесами важно обеспечить движение автомобиля в случае, если одно из колес теряет сцепление с дорогой.

Если одно из колес на оси буксует, то дифференциал передает на другое крутящий момент, недостаточный для движения.

Одним из способов борьбы с этим нежелательным свойством – это блокировка дифференциала. При заблокированном дифференциале крутящий момент, подводимый к колесам с лучшим сцеплением, увеличивается. Внедорожные автомобили, работающие в сложных условиях, могут иметь устройства, блокирующие как межосевой, так и задний межколесный дифференциалы. Блокировка дифференциала передней оси обычно не предусматривается из-за негативного воздействия на управляемость автомобиля.

Другим распространенным способом улучшения характеристик трансмиссий современных полноприводных автомобилей является применение различных устройств повышенного трения, применяющихся в качестве межосевых и задних дифференциалов. Самый простой способ заключается в создании дополнительного трения при проскальзывании деталей в дифференциале. Дифференциалы повышенного трения должны быть такими, чтобы передавать только часть крутящего момента на колесо с хорошим сцеплением.

Следует помнить, что любой дифференциал повышенного трения, независимо от места его расположения отнимает часть механической энергии переводя ее в тепло, а значит увеличивает расход топлива. Поэтому простые устройства с фрикционными шайбами или кулачковые дифференциалы устанавливались главным образом на грузовиках повышенной проходимости. В раздаточных коробках таких автомобилей часто дифференциал вообще отсутствовал (ГАЗ-66, УАЗ) и оба моста имели жесткую связь между собой. При движении по сухому асфальту во избежании чрезмерного изнашивания шин передний мост отключался, так что полноприводными эти автомобили могли быть только вне дорог или в зимнее время года.

Гораздо лучше, если дифференциал сможет почувствовать момент начала проскальзывания колеса и сумеет перераспределить крутящий момент на отстающее колесо. Другими словами, желательно использовать самоблокирующийся дифференциал. В настоящее время большое распространение получают фрикционные муфты с контролируемой степенью блокировки, когда фрикционные диски сжимаются с определенным усилием. Такие муфты могут применяться для управления распределением крутящего момента между передними и задними колесами под электронным контролем. Можно использовать такие чувствительные устройства, управляющие сцеплением колес с дорогой и поведением автомобиля вместо простой блокировки дифференциалов.

Вязкостная муфта (Фергюссона) является наиболее простым и дешевым устройством повышенного трения, и поэтому ее часто применяют в трансмиссиях автомобилей. Если в качестве дифференциала использовать такую муфту, она будет перераспределять крутящий момент так, что большая часть его будет поступать на колеса, вращающиеся с меньшей скоростью. Существенным недостатком таких устройств является их влияние на процесс торможения, поскольку при резком торможении может произойти одновременное блокирование всех колес автомобиля. При использовании вязкостных муфт в трансмиссиях автомобилей с антиблокировочными тормозными системами приходится применять дополнительные устройства для разблокирования муфт при торможении.

Дифференциал Torsen представляет собой механический самоблокирующийся дифференциал, в котором используется сложный набор червячных шестерен. Этот дифференциал имеет линейную характеристику, перераспределение крутящего момента происходит практически мгновенно и он не оказывает влияния на процесс торможения. Эти свойства иеханизма обусловили его широкое использование в качестве межколесных и межосевых дифференциалов автомобилей. Основным недостатком является сложность его изготовления и сборки а также высокая стоимость.

Автоматические трансмиссии, позволяющие водителю управлять режимом движения с помощью только двух педалей: газа и тормоза, могут иметь коробку передач или не иметь ее. Ко второму типу относятся гидрообъемные и электрические трансмиссии, которые позволяют в определенном диапазоне получить любое передаточное число.

В гидрообъемной трансмиссии гидравлический насос, приводимый в действие от ДВС, соединяется трубопроводами с гидродвигателями, которые приводят в действие ведущие колеса автомобиля. Гидростатический напор жидкости, создаваемый насосом, преобразуется в крутящий момент на валах гидродвигателей. Гидрообъемные трансмиссии не получили широкого применения на автомобиле из-за низкого КПД и высокой стоимости, но довольно часто используются в дорожно-строительных машинах.

В электрических трансмиссиях ведущие колеса автомобиля приводятся в действие электродвигателями, к которым от генератора подается электрический ток. Электродвигатель с редуктором может располагаться непосредственно внутри колеса. Такая конструкция носит название мотор-колеса.

Электрические трансмиссии в ближайшем будущем получат широкое распространение при переходе к альтернативным источникам энергии.

В автоматических трансмиссиях с коробками передач используются ступенчатые (автоматизированные), бесступенчатые (вариаторы) и комбинированные (гидромеханические) коробки передач.

Гидромеханическая передача (ГМП) успешно применяется в автомобилях уже более полувека и дает возможность заметно облегчить управление автомобиля. Она позволяет получить следующие преимущества:

- обеспечение автоматизации переключения передач и отсутствие необходимости иметь педаль сцепления;

- повышение проходимости автомобиля в условиях бездорожья за счет отсутствия разрыва потока мощности при переключении передач;

- повышение долговечности двигателя и агрегатов трансмиссии за счет способности гидротрансформатора снижать динамические нагрузки.

В то же время как недостатки необходимо отметить потерю мощности и повышение расхода топлива за счет более низкого КПД ГМП по сравнению с автомобилем, имеющим механическую коробку передач.

Гидромеханическая передача включает в себя три основные части:

- гидротрансформатор;

- механическую коробку передач;

- систему управления.

В настоящее время США ГМП снабжаются 90% легковых автомобилей, а также все городские автобусы и значительная часть грузовых автомобилей.

Простейший гидротрансформатор выполнен в виде камеры тороидальной формы и включает в себя три лопастных колеса: насосное, вал которого соединен с коленчатым валом двигателя; турбинное, соединенное с трансмиссией и реактор, установленный в корпусе гидротрансформатора.

При вращении коленчатого вала двигателя вращается насосное колесо, которое перемещает жидкость, находящуюся между его лопастями. Жидкость не только вращается относительно оси гидротрансформатора, но и за счет воздействия на нее центробежных сил перемещается вдоль лопастей насосного колеса по направлению от выхода к выходу, что сопровождается увеличением кинетической энергии потока. На выходе из насосного колеса поток жидкости попадает на турбинное колесо, оказывая силовое воздействие на его лопасти. Затем поток попадает в реактор, пройдя который, возвращается к входу в насосное колесо. Таким образом, жидкость постоянно перемещается по замкнутому кругу циркуляции, образованному проточными частями всех трех лопастных колес, и находится с ними в силовом взаимодействии. При этом насос передает энергию двигателя потоку, а тот, в свою очередь – турбине.

Максимальное значение КПД гидротрансформатора может быть от 0,85 до 0,97, но обычно находится в диапазоне от 0,7 до 0,8. В комплексном гидротрансформаторе на режиме гидромуфты можно получить максимальное значение КПД – 0,97. Изменение режимов работы гидротрансформатора происходит автоматически.

К сожалению, гидротрансформатор имеет малый диапазон передаточных чисел, не обеспечивает движение задним ходом, не разобщает двигатель от трансмиссии. Поэтому за гидротрансформатором устанавливают специальную коробку передач, которая компенсирует указанные недостатки. Такая гидромеханическая передача является бесступенчатой и позволяет получать любое передаточное число в заданном диапазоне.

В гидромеханических передачах в основном применяются механические планетарные коробки передач, которые легко поддаются автоматизации, но иногда используют и обычные ступенчатые коробки передач с автоматическим управлением.

Простая планетарная передача состоит из центральной “солнечной” шестерни и наружной шестерни в виде кольца с внутренним зубьями; эти две шестерни связаны между собой посредством нескольких (обычно трех) шестерен-сателлитов, смонтированных на общей раме, которая называется водилом. Планетарная передача позволяет легко реверсировать вращение для получения заднего хода автомобиля.

Коробки передач с вариаторами являются бесступенчатыми и дают возможность получить в заданном ограниченном диапазоне любое передаточное число. Во многих странах их обозначают CVT – постоянно изменяющаяся трансмиссия. В настоящее время в автоматических коробках передач применяют клиноременные и тороидные вариаторы.