Рис. 58. Траектория колес автомобиля
Сделав мелом заметки на задних колесах и прокатив игрушечный автомобиль ровно на один оборот наружного колеса, определим, что внутреннее колесо повернулось на 3/4 оборота, т. е. оно повернулось меньше наружного на 1/4 оборота. Но это у игрушечного автомобиля, у которого каждое колесо вращается независимо от другого. У настоящего же автомобиля ведущие колеса не могут вращаться на оси свободно. Они посажены на полуоси жестко, так как приводятся во вращение от двигателя и создают движущую силу автомобилю. Очевидно, что колеса, закрепленные на одной оси, не могут вращаться с разными частотами.
Как же заставить колеса вращаться с разной частотой?
Проделаем простой опыт. Возьмем две рейки и шестерню. Если их поставить, как показано на рис. 59, а, то рейки можно свободно перемещать друг относительно друга. При этом шестерня будет «кататься» по каждой из них. Если теперь оставить рейки свободными и потянуть за ручку (рис. 59, б), соединенную с осью шестерни со скоростью V1, то будут двигаться обе рейки с шестерней с той же скоростью Vi (шестерня вращаться не будет). Наконец, если на пути одной рейки поставить препятствие (рис. 59, в), то она остановится, т. е. V=0. При дальнейшем движении ручки шестерня начинает катиться по этой рейке, а так как она находится в зацеплении и с другой рейкой, то зубьями толкает ее в направлении движения ручки. Она движется со скоростью, в два раза превышающей скорость ручки, т. е. V2=2V1.
Рис. 59. Схема дифференциала
Теперь представьте, что обе рейки согнуты и их концы соединены так, что получились две шестерни с боковой нарезкой зубьев, а между ними шестерня, посаженная на ось (рис. 59, г). Принцип действия полученного механизма сохранился. Следовательно, колеса могут вращаться с разной частотой.
Конструкторы разрезали ось. Получились две полуоси. На их концах нарезали шлицы, на которые надели конические шестерни полуоси (в нашем примере согнутые рейки). Между этими шестерня ми на оси поставили третью шестерню, называемую сателлитом. Все это поместили в так называемую коробку дифференциала, которая жестко закрепляется на ведомом (большом) зубчатом колесе главной передачи. Теперь крутящий момент может передаваться от главной передачи ведущим колесам и в то же время возможно вращение колес с разной частота. Действительно, если сателлит С вращать в направлении А (красная стрелка), го полуосевые шестерни В и Г будут вращаться в разных направлениях (показаны также красными стрелками). Если же сателлит вместе с его осью повернуть в направлении Б, то обе полуосевые шестерни повернутся в том же направлении (красные пунктирные стрелки).
Но как в автомобиле заставить ось сателлитов вращаться в таком, казалось бы, неестественном положении?
Положение ее вполне естественное, просто его трудно представить в пространстве. Дело в том, что коробка дифференциала разъемная. В разъеме закрепляется ось сателлита, поэтому во время движения автомобиля по прямой вращается ведущий вал главной передачи, вращая большую шестерню главной передачи вместе с чашкой дифференциала, осью сателлитов, сателлитом, полуосевыми шестернями, полуосями и ведущими колесами. Сателлит же относительно своей оси неподвижен.
При повороте автомобиля картина меняется: внешнее ведущее колесо идет по большему кругу, чем внутреннее. Внешнее колесо как бы торопится обогнать внутреннее, а поэтому полуосевая шестерня начинает вращаться быстрее, ее зубья подталкивают зубья сателлита. Он начинает вращаться, тормозя вращение внутреннего колеса.
Таким образом, если ось сателлитов повернуть на один оборот в направлении красной стрелки (рис. 59, д), то и каждое колесо повернется на один оборот. Если же ось сателлитов повернуть на один оборот и одновременно вращать сателлит, повернув наружное колесо вперед на 1/4 оборота, то наружное колесо сделает одни оборот за счет поворота оси сателлита и 1/4 оборота за счет поворота самого сателлита, а наружное один оборот за счет поворота оси сателлита минус 1/4 оборота за счет поворота сателлита назад.
Итак, наружное колесо делает 1¼ оборота, а внутреннее 3/4 оборота, т. е. дифференциал передает крутящий момент от главной передачи к ведущим колесам и в то же время позволяет им вращаться с разными частотами.
Крутящий момент, как мы говорили, достигает иногда значительной величины. Один сателлит может не выдержать большой нагрузки, поэтому для увеличения надежности и долговечности в конструкцию вводят два и даже четыре таких детали. В таком случае сателлиты помещают на одной оси либо на крестовине, зажатой в коробке дифференциала. Количество сателлитов на работу дифференциала не влияет.
Таким образом, дифференциал автомобиля - это механизм трансмиссии, распределяющий крутящий момент, подводимый к ведущему звену между ведомыми звеньями, позволяющий каждому из этих звеньев изменять частоту вращения при вращающемся с постоянной частотой ведущем звене, передающий мощность, реализуемую на колесах автомобиля, связанных с ведомыми звеньями.
Существует большое число различных дифференциалов. Обычно применяют шестеренные, кулачковые и червячные. Дифференциалы, у которых средние значения крутящих моментов на ведомых звеньях не одинаковы, называют несимметричными. Симметричные дифференциалы передают одинаковые средние крутящие моменты.
Дифференциалы автомобилей с коническими зубчатыми колесами называют коническими, а с цилиндрическими — цилиндрическими. Дифференциал, снабженный специальным включаемым устройством, препятствующим относительному вращению ведомых звеньев, относят к блокируемым дифференциалам, а дифференциал, снабженный автоматически действующим устройством, препятствующим относительному вращению звеньев с неодинаковой частотой,— к самоблокирующимся.
Самоблокирующийся дифференциал, у которого устройство, препятствующее вращению ведомых звеньев с неодинаковой частотой, действует по принципу увеличения сопротивления относительному вращению его основных звеньев, называют дифференциалом повышенного трения.
Итак, крутящий момент от дифференциала передается на полуоси, а от полуосей — на ведущие колеса.
Полуоси
Ведущие колеса легковых автомобилей крепятся, как правило, на наружном конце полуоси, а у грузовых — на ступице на роликовых подшипниках. Полуоси передают крутящий момент от дифференциала к ведущим колесам. В зависимости от конструкции моста полуоси могут быть полу разгруженные (рис. 60, а) и разгруженные (рис. 60, б).
Рис. 60. Полуоси: а - полуразгруженные; б - разгруженные
Полуразгруженные полуоси используются обычно на легковых автомобилях и микроавтобусах. Такие полуоси вместе с крутящим моментом воспринимают часть нагрузки от массы автомобиля. Объясняется это тем, что подшипник установлен между полуосью и ее кожухом, а ступица закреплена на полуоси.
У автобусов и автомобилей средней и большой грузоподъемности колеса крепятся непосредственно к ступице, которая вращается на подшипниках, полуось вставляется в кожух свободно и крепится к ступице гайками. Полностью разгруженные полуоси передают только крутящий момент и не воспринимают никакой изгибающей нагрузки. Это достигается установкой ступицы колеса на подшипниках с наружной стороны картера заднего моста.
Привод колеса
Как видно из рис, 61, а. крутящий момент от двигателя к колесам передается через сцепление, коробку передач, карданную передачу, главную передачу, дифференциал и полуоси. У автомобилей повышенной проходимости, т. е. со всеми ведущими колесами, крутящий момент от коробки передач передается раздаточной коробке, а от нее к ведущим мостам (рис. 61, б). Раздаточной коробкой называют механизм трансмиссии автомобиля, распределяющий крутящий момент между ведущими мостами автомобиля. В ней же помещают устройство для включения и выключения одного из ведущих мостов, а также дополнительную коробку для понижающей передачи. Она позволяет увеличить силу гяги на ведущих колесах при любой передаче в основной коробке передач.
Рис. 61. Схема трансмиссии
Особенностью привода ведущих управляемых колес является го, что у них вместо сплошной полуоси между дифференциалом и ступицей колеса устанавливается шарнир равной угловой частоты (рис. 57, в). В этом случае ведущий кулак вставляется в полуогевую шестерню дифференциала, а ведомый кулак соединяется через фланец со ступицей колеса. Между кулаками в специальных сферических углублениях располагаются четыре ведущих и один центрирующий шарики.
При повороте управляемого колеса, а вместе с ним и ведомого кулака шарнира передача крутящего момента не прекращается. Канавки имеют такую форму, что ведущие шарики независимо от угловых перемещений вилок всегда располагаются в плоскости, делящей пополам угол между осями ведомого и ведущего кулаков. Поэтому всегда эти кулаки имеют одинаковые частоты вращения.