Самоблокирующийся дифференциал транспортного средства
Изобретение относится к автомобилестроению и может быть использовано в дифференциальных приводах колесных транспортных средств, выполненных с возможностью автоматической блокировки колес. Самоблокирующийся дифференциал транспортного средства содержит приводной корпус (1), в котором соосно друг другу размещены связанные с полуосями (2, 3) полуосевые элементы (4, 5), имеющие на внешней поверхности винтовые канавки (6, 7) противоположного направления спирали, тела качения в виде шариков (8), заполняющих цепочкой выполненный в приводном корпусе, по меньшей мере, один замкнутый канал (10), часть которого вскрыта для погружения сегментов шариков в винтовые канавки. Замкнутый канал (10) в продольном сечении выполнен прямоугольным со скругленными внешними углами (12). Поперечное сечение ветвей прямоугольного замкнутого канала равно диаметру шариков (8). Количество шариков в канале нечетное. Такое выполнение упрощает конструкцию дифференциала, уменьшает его габариты, повышает технологичность, прочность и КПД самоблокирования. 4 ил.
Изобретение относится к автомобилестроению и может быть использовано в дифференциальных приводах транспортных средств, выполненных с возможностью автоматической блокировки колес.
Известен самоблокирующийся дифференциал транспортного средства, выбранный заявителем в качестве прототипа, содержащий 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 замкнутого канала, образующая рабочую ветвь, вскрыта для погружения сегментов шариков в винтовые канавки полуосевых элементов. Рабочая ветвь соединена с возвратной продольной ветвью канала боковыми горообразными участками канала. Кроме того, возвратная ветвь канала также выполнена горообразной с шириной больше одного и меньше двух диаметров шарика (см. описание изобретения SU №1507603, от 17.11.87, опубл. 15.09.89, В60К 17/20, В.-О.А.Люси).
К недостаткам прототипа следует отнести сложность конструкции, связанную с горообразным исполнением канала. В рабочей ветви канала шарики размещены в один ряд. Возвратная же ветвь канала, имеющая в сечении существенно больший размер /ширина больше одного, но меньше двух диаметров шарика/ для размещения в нем шариков в шахматном порядке, в сочетании с горообразным исполнением, усложняет изготовление всего замкнутого торообразного канала и существенно увеличивает габариты дифференциала.
К тому же, форма замкнутого канала, имеющего плавные, тороидальные исполнения, исключает эффективное самоторможение цепочки шариков, необходимое для полного блокирования автоматического дифференциала при буксовании транспортного средства. Под самоторможением понимается сила, противодействующая перемещению цепочки шариков в замкнутом канале. В канале, имеющем плавные, горообразные изгибы, силы для торможения цепочки шариков очень слабы. Поэтому для увеличения силы самоторможения цепочки шариков в процессе их движения, автор прототипа вынужден увеличивать диаметр возвратного канала. В таком канале, диаметр которого больше одного, но меньше двух диаметров шарика, тела качения размещены в шахматном порядке. При движении такой цепочки шариков, они распираются /расклиниваются/ в стороны и сила трения их о стенки канала возрастает. Такое исполнение дифференциала характеризуется низким КПД самоблокирования устройства и ограниченностью действия его на малых скоростях, т.к. самоблокирование осуществляется в основном при ускорении транспортного средства. В прототипе (изобретения SU №1507603, последний абзац описания) сказано «...силы, передаваемые шариками от одной полуосевой шестерни (полуосевого элемента) к другой, уменьшаются на участке бесконечного канала, имеющего конструктивно выбираемые кривизну и ширину части канала, в зависимости от нужного коэффициента блокировки, а при торможении двигателем и движении назад самоблокирование меньше и зависит практически от КПД передачи силы от одной полуосевой шестерни к шарикам и от КПД передачи силы от шариков к полуосевой шестерне.». К тому же, перестроение /перемещение/ шариков при движении транспортного средства из шахматного порядка в один ряд требует высокой точности изготовления всего замкнутого канала, увеличивает количество шариков и габариты всего устройства, а также уменьшает его прочность.
Технической задачей заявляемого решения является упрощение конструкции, уменьшение габаритов, повышение технологичности, прочности и КПД самоблокирования.
Поставленная задача решается за счет того, что в известном самоблокирующимся дифференциале транспортного средства, содержащем 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, согласно изобретению, 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.
Выполнение замкнутого канала в продольном сечении прямоугольным и одного диаметра с шариками обеспечивает упрощение конструкции дифференциала, делает ее более технологичной, т.к. предлагается соединять рабочую и возвратную ветви канала прямолинейными отрезками этого же диаметра под прямым углом, скруглив лишь внешние углы образовавшегося правильного прямоугольника. Предлагаемое решение позволяет максимально сблизить прямолинейные возвратную и рабочую ветви канала друг к другу. Замена широкой ветви канала с шахматным размещением шариков и соединительных горообразных частей с переменным сечением на перпендикулярные прямолинейные участки делает замкнутый прямоугольный канал значительно компактней и позволяет существенно уменьшить количество шариков в цепочке. Габариты предлагаемого самоблокирующегося устройства не превышают размеров стандартного классического дифференциала, применяемого в настоящее время. Это решает проблему установки дифференциала в автомобиль путем простой замены стандартного неблокируемого дифференциала автоматическим блокируемым устройством.
Прямоугольный канал позволяет осуществить более эффективное самоторможение цепочки шариков за счет передвижения шариков через прямые углы замкнутого канала. Это позволяет сделать автоматический дифференциал с максимальным КПД блокирования (близким к 100%) и максимальным КПД дифференцирования, т.к. нет меняющейся нагрузки /расклинивания/ шариков на боковые стенки ветвей канала, что повышает общий КПД системы. Коэффициент блокирования в неблагоприятных дорожных условиях становится оптимальным как при движении вперед, так и назад. Дифференциал автоматически работает при любых скоростях движения автомобиля. Причем процессы блокирования и дифференцирования устройства не вмешиваются в работу друг друга, т.к. улучшается обратная связь устройства с дорогой, по которой движется транспортное средство. При этом управляемость и безопасность улучшаются. Это делает автомобиль устойчивым и проходимым по любым сложным дорогам. При торможении же двигателем самоблокирование устройства повышает эффективность безопасного торможения транспортного средства.
Дифференциал имеет большую прочность за счет максимального КПД блокирования, не позволяющего шарикам при любом буксовании транспортного средства перемещаться по каналу, что исключает интенсивный разогрев и износ механизма.
Проведенные патентные исследования не выявили сходных технических решений, что позволяет сделать вывод о новизне и изобретательском уровне заявляемого технического решения.
Отечественная промышленность располагает всеми средствами (материалами, оборудованием и технологией), необходимыми для изготовления заявляемого дифференциала и широкого использования его в транспортных средствах.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где
на фиг.1 - самоблокирующийся дифференциал в продольном разрезе;
на фиг.2 - замкнутая цепочка из нечетного количества шариков, помещенная в прямоугольный замкнутый канал дифференциала;
на фиг.3 - фрагмент цепочки шариков при расположении вершины угла прямоугольного канала между двумя смежными шариками;
на фиг.4 - фрагмент цепочки шариков при расположении одного шарика на вершине угла прямоугольного канала.
Самоблокирующийся 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 винтовые канавки 6 и 7 противоположного направления спирали, тела качения в виде шариков 8, заполняющие цепочкой 9, по меньшей мере, один замкнутый канал 10, выполненный в приводном корпусе 1. Часть замкнутого канала 10 (рабочая ветвь 11) вскрыта для погружения (вхождения) сегментов шариков 8 цепочки 9 в винтовые канавки 6 и 7 полуосевых элементов 4 и 5.
Замкнутый канал 10 выполнен в продольном сечении прямоугольным со скругленными внешними углами 12. Рабочая 11 и возвратная 13 ветви канала 10 соединены прямолинейными отрезками (ветвями) 14 и 15 под прямым углом, скруглив лишь внешние углы 12 образовавшегося правильного прямоугольника. Поперечное сечение всех ветвей замкнутого канала 10 равно диаметру шариков 8, а количество шариков 8 в канале 10 нечетное. Замкнутый канал 10 расположен в тангенциальном (см. описание к а.с. №1507603, фиг.2) либо радиальном сечении приводного корпуса 1. Прямоугольных замкнутых каналов 10 в корпусе 1 устройства может быть более одного. Рабочая 11 и возвратная ветви 13 канала 10 могут быть вплотную сближены друг с другом. Поперечное сечение ветвей канала 10 может иметь любой геометрический профиль с вписывающимся в него диаметром шарика 8: круг, многоугольник, квадрат, треугольник и т.д. Винтовые канавки 6 и 7 на поверхности полуосевых элементов 4 и 5 также могут иметь любой геометрический профиль с вписывающимся в него сегментом шарика: круг, многоугольник, квадрат, треугольник и т.д. Цепочки шариков в замкнутом канале 10 могут быть независимыми (не связанными) друг с другом, либо объединены в единую, общую, замкнутую цепь для любого количества прямоугольных каналов (как в патенте РФ на ПМ №38871, рис.3, 4). Причем четное количество прямоугольных каналов 10 в приводном корпусе 1 с нечетным количеством шариков 8 в каждом канале 10 делает общее количество шариков в дифференциале четным.
Дифференциал работает следующим образом. При прямолинейном движении транспортного средства по хорошей дороге вращение от ведущего корпуса 1 через шарики 8, 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 повороте автомобиля или попадании одного из ведущих колес транспортного средства на неровности дороги (ямка или бугор) колеса, а следовательно, и полуоси 2 и 3 с полуосевыми элементами 4 и 5 стремятся вращаться с разными угловыми скоростями. При этом шарики 8 начинают перемещаться по прямоугольному каналу 10, не препятствуя повороту транспортного средства. При попадании какого-либо ведущего колеса на скользкий участок дороги происходит резкое снижение его сцепления с дорогой. Шарики 8 в устройстве 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 пробуксовывания.
Цепочка 9 из шариков 8, размещенная в прямоугольном замкнутом канале 10, по условиям работы дифференциала должна сохранять минимальные зазоры между собой и стенками канала 10. Такая цепочка 9 шариков 8 будет иметь максимальное самоторможение за счет перемещения шариков 8 в процессе работы устройства через прямые углы 16 канала 10.
Нечетное количество шариков 8 в прямоугольном замкнутом канале 10 обеспечивает свободное движение цепочки шариков 8 с неизменяющимся, минимальным зазором между шариками 8. Движение шариков 8 в прямоугольном канале 9 приводит к циклическому изменению длины части замкнутой цепочки 9. При вхождении шарика 8 на вершину угла 16 канала 10, длина этой части замкнутой цепочки 9 шариков 8 начинает плавно уменьшается, а другая часть цепочки 9 плавно, синхронно увеличиваться, т.к. вершина другого угла 16 канала 10 оказывается в этот момент между шариками 8. На фрагменте цепочки 9 из трех шариков 8 (фиг.3 и фиг.4) показано, как меняются длины хорд в точках соприкосновения шариков 8 друг с другом. Сумма длин хорд шариков 8 /показано пунктирными линиями/ на фиг.3 больше, а на фиг.4 меньше, на 12-14%. При подходе следующих шариков 8 к углам прямоугольного канала 10 цикл повторится. Поэтому при движении замкнутой цепочки с нечетным количеством шариков 8 через углы 16 прямоугольного канала 10 часть цепочки 9, проходящая два каких-либо угла канала 10, удлиняется, а другая часть цепочки 9, проходя другие два угла, сокращается. Это происходит синхронно. В этом случае, общая длина замкнутой цепочки, а следовательно, минимальные зазоры между шариками 8 сохраняются.
При четном же количестве шариков в прямоугольном, замкнутом канале не часть, а вся цепочка удлинялась бы или сокращалась в движении одновременно на всех четырех углах, заклинивая шарики, либо сильно увеличивая зазоры между ними. При такой нестабильности длины цепочки дифференциал становится неработоспособным.
За четыре года заявителем разработано, изготовлено и испытано двенадцать вариантов дифференциалов для разных типов автомобилей. При стендовых испытаниях и испытаниях в различных климатических условиях на автомобилях все дифференциалы показали хорошие результаты.
При движении транспортного средства как вперед, так и назад, устройство безупречно работает как обычный дифференциал классической схемы, не мешающий управлению транспортным средством. Улучшилась проходимость в бездорожье и надежность при езде в непогоду. Повысилась устойчивость движения автомобиля в гололедицу, особенно на поворотах. В процессе испытаний автомобилями управляли водители самой различной квалификации от новичков до опытных спортсменов автогонщиков. Все отметили улучшение ходовых качеств машин.
Самоблокирующийся дифференциал транспортного средства, содержащий 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, отличающийся тем, что 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.
