4.8. Ведущие мосты тракторов и автомобилей

Ведущие мосты автомобилей

Ведущие мосты предназначены для передачи вращающего мо­мента с карданного вала к ведущим колесам автомобиля, а также для восприятия сил, передающихся при движении от колес к под­веске.

Ведущие мосты по конструкции бывают неразрезные и разрез­ные.

Неразрезной мост имеет жесткую конструкцию в виде балки (цельной или составной). Балки ведущих мостов могут быть штам­пованными и литыми. Составные балки прочнее цельных, но их изготовление более трудоемко, а жесткость зависит от надежно­сти выполненного соединения. На балке крепят рессоры, толкаю­щие и реактивные штанги, фиксирующие мост относительно рамы (кузова). Балка ведущего моста является несущей и через нее вес машины передается на колеса.

Разрезной мост представляет собой шарнирную конструкцию, позволяющую правому и левому колесам перемещаться независи­мо одно относительно другого. Колеса ведущих мостов автомоби­лей могут быть либо только ведущими (задние мосты), либо од­новременно ведущими и управляемыми (передние мосты).

Ведущие мосты состоят из главной передачи, дифференциала, привода ведущих колес, балки моста или устройства для передачи сил от ведущих колес к раме (кузову) автомобиля.

Основные требования, предъявляемые к ведущему мосту: по возможности меньшие габаритные размеры для получения наи­большего дорожного просвета и небольшая масса.

Главная передача предназначена для увеличения вращающего момента, передаваемого к ведущим колесам. В автомобилях с про­дольным расположением трансмиссии главная передача, кроме этого, поворачивает направление передачи вращающего момента на 90°. Конструкция главных передач должна обеспечивать необ­ходимое передаточное число, высокий КПД, минимальные габа­ритные размеры и массу, а также плавную и бесшумную работу.

В зависимости от типа зубчатой передачи различают шестерен­ные (цилиндрические или конические) и червячные главные пе­редачи. Червячные передачи из-за меньшего, чем у шестеренных передач, КПД получили ограниченное применение. Шестеренные главные передачи могут быть одинарными и двойными.

Одинарная главная передача представляет собой пару коничес­ких шестерен с криволинейными зубьями. В отличие от главной передачи с пересекающимися осями (рис. 4.24, а) в передаче с гипоидным зацеплением (рис. 4.24, б) оси скрещиваются и сме­щение С оси вала шестерни относительно центра зубчатого колеса составляет обычно 50…60 мм. Основным преимуществом исполь­зования гипоидного зацепления является повышенная долговеч­ность передачи, так как с увеличением смещения оси вала веду­щей шестерни возрастает число зубьев, находящихся в зацепле­нии. Это обеспечивает также большую плавность и бесшумность работы передачи по сравнению с другими типами главных пере­дач. Кроме того, положение оси ведущей шестерни позволяет ниже расположить кузов, а следовательно, и центр массы автомобиля, что повышает его устойчивость.

Рис. 4.24. Одинарная главная передача с коническими шестернями: а — с пересекающимися осями; б — со скрещивающимися осями (гипоидная); С— смещение оси вала шестерни относительно центра зубчатого колеса

В гипоидных передачах применяются специальные сорта сма­зывающих средств (гипоидные смазки), так как у них относитель­ное скольжение зубьев больше, чем у конических передач других типов. Одинарные главные передачи используются на легковых автомобилях, а также на грузовых автомобилях малой и средней грузоподъемности.

На рис. 4.25, а показана конструкция одинарной главной пере­дачи грузовых автомобилей ГАЗ с кулачковым дифференциалом. Ведущий вал-шестерня 9 исполнен как единая деталь, ведомая шестерня 26 закреплена на корпусе 22 кулачкового дифференциала. Шестерни вместе с дифференциалом размещены в картере 19 глав­ной передачи и вращаются на роликоподшипниках 6, 16, 29 и 18.

Рис. 4.25. Одинарная главная передача с кулачковым дифференциалом ведущих мостов грузовых автомобилей ГАЗ: а — конструкция главной передачи; б — устройство для смазывания подшипни­ков; 1,13 — болты; 2 — внутренняя звездочка; 3 — болт крепления ведомой шестерни к корпусу дифференциала; 4 — винт упора; 5,15 — регулировочные прокладки; 6,16, 29 — конические роликоподшипники; 7, 24 — крышки; 8,20— гайки; 9 — ведущий вал-шестерня; 10 — фланец; 11 — манжета; 12 — маслосгонное кольцо; 14 — стакан; 17 — маслоналивная пробка; 18 — цилинд­рический роликоподшипник; 19 — картер главной передачи; 21 — полуось; 22 — корпус кулачкового дифференциала; 23 — стопорная пластина; 25 — кулачок; 26 — ведомая шестерня; 27 — наружная звездочка; 28 — сепаратор; 30 — втулка; 31 — верхний канал; 32 — нижний канал

Регулировка зазора в зацеплении конических шестерен осуще­ствляется регулировочными прокладками 5 под фланцем стака­на 14, в котором размещен ведущий вал-шестерня 9. Для предотвращения больших деформаций ведомой шестерни под действием сил от передаваемого момента в картере 19 главной передачи ус­тановлен упор, регулируемый винтом 4.

Для принудительного смазывания конических подшипников вала-шестерни 9 (рис. 4.25, б) применяется маслосъемная втул­ка 30. Масло, увлекаемое вращающейся ведомой шестерней 26, собирается маслосъемной втулкой в момент их соприкосновения, и далее из маслосъемной втулки масло по верхнему каналу 31 подводится к коническим роликоподшипникам 6 и 16, а по ниж­нему каналу 32 отводится от них.

Двойная главная передача применяется в тех случаях, когда не­обходимы большие передаточные числа, но из-за больших разме­ров ведомого зубчатого колеса уменьшается дорожный просвет и невозможно применить одинарную коническую передачу. Шестерни в двойных главных передачах на первой ступени обычно коничес­кие, а на второй цилиндрические. Цилиндрические шестерни де­лают с косыми зубьями.

Двойные главные передачи бывают центральные, их выполня­ют в одном картере (рис. 4.26), располагая в середине моста, или разнесенные, где каждая ступень передачи выполняется отдельно. В двойных разнесенных главных передачах пару цилиндрических шестерен — ведущую 2 (рис. 4.27) и ведомую 3 переносят к коле­сам. В некоторых конструкциях главных передач вторую ступень делают планетарной. Конструкция отдельных узлов двойной глав­ной передачи аналогична конструкции одинарной главной пере­дачи.

Рис. 4.26. Центральная двойная главная передача и шестеренный дифференциал переднего ведущего моста автомобиля КамАЗ-4310:

1 — крышка подшипника; 2 — ведомое цилиндрическое колесо; 3 — корпус дифференциала; 4 — опорная шайба полуосевой шестерни дифференциала; 5, 13, 14, 24, 25 — конические роликоподшипники; 6 — полуосевая шестерня дифференциала; 7 — опорная шайба сателлита; 8, 22 — цилиндрические роли­коподшипники; 9 — шпонка; 10 — заглушка; 11 — ведущий вал; 12 — ведущая коническая шестерня; 15— сальник; 16 — фланец ведущего вала; 17, 27— крышки; 18, 26 — стаканы подшипников; 19, 30— регулировочные шайбы; 20— распор­ная втулка; 21 — ведомая коническая шестерня; 23 — ведущая цилиндрическая вал-шестерня; 28 — шайба; 29 — гайка; 31 — картер главной передачи; 32 — крестовина дифференциала; 33 — сателлит; 34 — регулировочная гайка

Рис. 4.27. Двойная разнесенная главная переда­ча ведущего моста колесного трактора: 1 — ведомая коническая шестерня первой ступени; 2, 3 — ведущая и ведомая цилиндрические шестерни второй ступени

Опоры и подшипники шестерен главной передачи выбирают из условия получения заданной долговечности и максимальной жест­кости конструкции. Ведущая коническая шестерня главной пере­дачи может быть смонтирована консольно (опоры с одной сторо­ны, как показано на рис. 4.27) или в опорах, расположенных с обеих ее сторон (см. поз. 16, 18 на рис. 4.25 и поз. 8, 13 на рис. 4.26).

При применении опор с обеих сторон ведущей шестерни кон­струкция обладает большей жесткостью, чем при консольном ва­рианте, но усложняется обработка картера. Такое решение исполь­зуется в тех случаях, когда через главную передачу передается большой вращающий момент, который может вызвать значитель­ные деформации вала. Данная конструкция получила распростра­нение почти на всех современных грузовых автомобилях, а кон­сольная конструкция — на большинстве легковых автомобилей.

Дифференциал служит для распределения вращающего момен­та между ведущими мостами или колесами автомобиля в опреде­ленной пропорции, позволяющей им в то же время вращаться с разными угловыми скоростями.

При повороте или движении автомобиля по неровной дороге колеса должны проходить разные по величине пути. Если колесамоста соединить между собой валом, то угловые скорости колес будут равны. Разность путей, проходимых колесами, должна в этом случае компенсироваться проскальзыванием или пробуксовыва­нием шин относительно дороги, вызывая интенсивное их изна­шивание.

Такое явление также возможно при движении по ровной доро­ге в случае, когда различаются радиусы ведущих колес. Радиусы колес могут быть неодинаковыми по причине неравномерного изнашивания протекторов, разного давления в шинах или несим­метричного приложения нагрузки. Это сопровождается явления­ми изнашивания не только шин, но и деталей, связывающих ве­дущие колеса и мосты, а также перерасходом топлива в связи с затратой дополнительной мощности двигателя на пробуксовку колес. При этом затрудняется поворот машины и снижается ее боковая устойчивость. Для устранения подобных явлений у авто­мобилей и колесных тракторов служит дифференциал.

В зависимости от характера распределения вращающего момента дифференциалы бывают симметричные (рис. 4.28, а) и несиммет­ричные (рис. 4.28, б). Симметричный дифференциал конструктив­но объединяется с главной передачей ведущего моста.

Рис. 4.28. Кинематические схемы дифференциалов:

а — симметричные; б — несимметрич­ные; 1,4 — полуосевые шестерни; 2 — корпус дифференциала (водило); 3 — сателлиты

На грузовых автомобилях повышенной проходимости с двумя ведущими мостами в конструкции раздаточной коробки часто применяется несимметричный межосевой дифференциал, который распределяет вращающий момент двигателя между передним и задним ведущими мостами пропорционально весу машины, приходящемуся на них.

По конструкции дифференциалы бывают шестеренные (см. поз. 6 и 33 на рис. 4.26), кулачковые (см. поз. 2, 25, 27 и 28 на рис. 4.25), червячные и с механизмом свободного хода.

По способу блокировки дифференциалы бывают неблокируе­мые, блокируемые принудительно и самоблокирующиеся.

Дифференциал должен обладать высоким КПД и малой мас­сой, работа его должна быть бесшумной.

Рассмотрим закономерности распределения дифференциалом частоты вращения и вращающего момента между ведущими коле­сами моста.

Межколесный дифференциал (рис. 4.29) представляет собой пла­нетарный механизм, состоящий из корпуса 3 дифференциала (ве­дущее звено), сателлитов 6, левой и правой полуосевых шесте­рен 5, соединенных соответственно с левым и правым ведущими колесами. При вращении корпуса дифференциала 3 с частотой вращения n₃ левая и правая полуосевые шестерни 5 могут вра­щаться с частотой вращения n₁ и n₂. Для планетарных механизмов важной характеристикой является величина К — отношение ра­диусов r₂ и r₁ полуосевых шестерен соответственно правой и левой полуосей:

Частоты вращения элементов дифференциала связаны между собой уравнением

n₁-n₃ = -К(n₂-n₃),

где n₁, n₂ — частота вращения левой и правой полуосей, мин^-1; n₃ — частота вращения корпуса дифференциала, мин^-1.

Рис. 4.29. Кинематическая схема межколесного дифференциала

1,2 — левая и правая полуоси; 3 — корпус дифференциала (водило); 4 — зубчатая муфта; 5 — левая и правая полуосевые шестерни; 6 — сателлиты; 7 — ось сател­лита; 8 — ведомая шестерня главной передачи; Р₁, Р₂ — силы в точках зацепления сателлита с полуосевыми шестернями соответственно левой и правой полуосей; Р₃ — сила на оси сателлита; r_с — радиус сателлита; М₁ М₂ — вращающие момен­ты соответственно на левой и правой полуосях; М₃ — вращающий момент на корпусе дифференциала; P_k/2 — сила тяги на колесе; Z/2 — реакция грунта под колесом; r₁, r₂ — радиусы полуосевых шестерен соответственно левой и правой полуосей; φ — коэффициент сцепления; φ_min — то же, минимальный

Знак минус у величины К указывает на то, что при остановке корпуса 3 дифференциала (n₃ = 0) полуосевые шестерни могут вращаться в противоположные стороны, т.е. n₁= — n₂.

Для симметричных дифференциалов, у которых  К = 1, т.е. полу­осевые шестерни имеют одинаковые диаметры, уравнение при­нимает вид 

n₁+n₂=2n₃

Из условия равновесия межколесного дифференциала под дей­ствием моментов, приложенных к его элементам, можно записать уравнение моментов, Н*м:

M₃ = M₁ + M₂,

где M₃ — вращающий момент, подведенный к дифференциалу; М₁, М₂ — вращающие моменты, передаваемые от дифференциала на левое и правое ведущие колеса.

Соотношения между моментами М₁, М₂ и M₃ легко установить из равновесия сателлита относительно точки О под действием сил Р₁ и Р₂. При этом силы трения между элементами дифференциала не учитываются. Зная радиус сателлита r_c, получим Р₁ r_c — Р₂ r_c = 0. Из этого находим, что Р_х = Р₂.

Из кинематической схемы на рис. 4.29 следует, что М₁ = Р₁ r_c  и М₂= Р₂ r_c. Поскольку r₁= r₂, получим M₁ = M₂

С учетом уравнения моментов дифференциала получаем M₁ = М₂ = 0,5M₃, что и отличает симметричный межколесный дифференциал от несимметричного межосевого дифференциала, у которого К  ≠ 1. Соответственно у несимметричного межосевого дифференциала полуосевые шестерни имеют разные диаметры, что обеспечивает подведение разных моментов к мостам.

Распределение вращающего момента симметричным диффе­ренциалом поровну между ведущими колесами является поло­жительным свойством при движении автомобиля по дороге с высоким коэффициентом сцепления φ в случае, когда на каждое колесо действует одинаковая реакция грунта Z/2. При этом умень­шается нагруженность привода колес, уменьшается изнашива­ние шин, снижается расход топлива и не создается момент со­противления повороту вследствие симметричности приложения сил.

Однако проходимость автомобиля с симметричным диффе­ренциалом ухудшается, когда одно из колес попадает на участок дороги с низкими сцепными свойствами. Вращающий момент на этом колесе уменьшается до значения, ограниченного коэффи­циентом φ _min сцепления колеса с дорогой. Поскольку моменты на левом и правом ведущих колесах должны быть равны, такой же вращающий момент действует и на колесо, находящееся на участке с высоким коэффициентом φ сцепления колеса с доро­гой.

Если суммарный вращающий момент недостаточен для движе­ния автомобиля, то колесо, попавшее на участок дороги с низ­ким коэффициентом φ _min сцепления с дорогой, начнет буксовать, т.е. вращаться быстрее корпуса дифференциала и соответственно быстрее колеса, находящегося на участке с высоким коэффици­ентом φ сцепления колеса с дорогой. Для устранения этого недо­статка применяется блокировка дифференциала.

Механизм блокировки дифференциала, повышающий проходи­мость автомобиля, связывает между собой ведущие колеса, в ре­зультате чего они вращаются с одинаковыми угловыми скоростя­ми. Каждое колесо при этом начинает передавать вращающий мо­мент в зависимости от своего коэффициента сцепления с дорогой. Это позволяет использовать полностью сцепной вес на ведущем мосту при создании силы тяги Р_к. Для блокировки используется зубчатая муфта 4 (см. рис. 4.29), которая жестко связывает левую полуось с корпусом дифференциала, и взаимное перемещение элементов дифференциала невозможно. Включение принудитель­ной блокировки осуществляется водителем.

Для автоматического включения и выключения блокировки в процессе движения машины применяются самоблокирующиеся дифференциалы. Самоблокируюгциеся дифференциалы бывают двух типов: повышенного трения и свободного хода.

Принцип действия дифференциала повышенного трения основан на искусственном увеличении сил внутреннего трения, в резуль­тате которых осуществляется самоблокировка дифференциала. К этому типу относятся дифференциалы с фрикционными диска­ми, кулачковый (см. рис. 4.25) и червячный.

В качестве примера рассмотрим тип дифференциала с механизмом свободного хода. Широкое применение он находит в конструкции ведущих мостов колесных тракторов, предназначенных для работы в тяжелых дорожных условиях. Ведущая муфта 3 (рис. 4.30, а) диф­ференциала закреплена между двумя половинами 1 и 2 коробки дифференциала и своими торцовыми зубьями сцепляется с зубь­ями полуосевых муфт 4. Когда оба колеса испытывают одинаковое сопротивление и вращаются с одинаковой угловой скоростью, ведущая муфта 3 передает вращение к полуосевым муфтам 4, как это показано на рис. 4.30, б. Полуосевые муфты 4 передают усилие к полуосям через ступицы 1 посредством наружных и внутренних шлицов. Внутри ведущей муфты 3 имеется центральная вставка 9 с трапецеидальными зубьями, закрепленная в ней стопорным кольцом 10. С этими зубьями сцепляются внутренние зубья полуосевой муфты 4.

Рис. 4.30. Дифференциал с механизмом свободного хода:

а — конструкция дифференциала; б — положение муфт дифференциала при одинаковых угловых скоростях вращения колеса; в — положение муфт дифференциала в случае, когда правое колесо стремится обогнать ведущую муфту диф­ференциала; г — положение запорного кольца в случае, когда правая полуосевая муфта стремится обогнать ведущую муфту дифференциала; 1,2 — половины коробки дифференциала; 3 — ведущая муфта дифференциала; 4 — полуосевая муфта; 5 — пружина; 6 — зубчатое зацепление полуосевой муфты 4 и ступицы 7; 7 — ступица; 8 — запорное кольцо; 9 — центральная вставка; 10 — стопорное кольцо; → — направление перемещения муфт дифференциала

Если одно из колес (например, правое) при буксовании стре­мится увеличить угловую скорость и обогнать ведущую муфту 3, то трапецеидальные зубья начнут отжимать полуосевую муфту 4, сжимая пружины 5, и выводить зубья ведущей муфты 3 диффе­ренциала из зацепления с наружными зубьями полуосевой муфты 4 (рис. 4.30, в), и передача усилия к обгоняющему колесу пре­кращается. Однако на следующей впадине трапецеидальные зубья снова включатся и выключатся. При этом дифференциал работает с щелчками в соответствии с кратковременными включениями, т.е. в пульсирующем режиме, который приводит к ускоренному изнашиванию деталей. Для устранения пульсации вводят запор­ное кольцо 8 (см. рис. 4.30, а), перемещение которого ограничива­ется удлиненными зубьями зубчатого зацепления 6 таким обра­зом, что оно после первого выключения полуосевой муфты 4 удер­живает ее в выключенном положении в течение всего времени, пока она стремится обгонять ведущую муфту 3 дифференциала (рис. 4.30, г).

Привод к ведущим колесам осуществляется с помощью валов, называемых полуосями, которые подводят вращающий момент от дифференциала. В зависимости от того, управляемые или неуправ­ляемые ведущие колеса, а также наличия колесного редуктора вра­щающий момент может передаваться валом и шарниром равных угловых скоростей; валом через колесный редуктор; полуосью, со­единяющей непосредственно ведущее колесо с дифференциалом.

Полуоси могут быть нагружены вертикальной силой Z (рис. 4.31, а), продольной толкающей Р_х и поперечной Pγ силами, из которых последняя возникает при крене автомобиля и при взаи­модействии колеса с неровностями. Кроме этого, полуось переда­ет вращающий момент. В зависимости от конструкции подшипни­кового узла полуось ведущего колеса может быть либо нагружена изгибающим моментом от сил взаимодействия колес с дорогой, либо разгружена от него. По степени освобождения от действия изгибающих моментов полуоси условно делят на полуразгружен­ные, разгруженные на три четверти и полностью разгруженные.

Рис. 4.31. Схемы подшипниковых узлов с полуосями:

а — полуразгруженная полуось; б — разгруженная на три четверти полуось; в — полностью разгруженная полуось; а — расстояние между опорами полу­оси; b — плечо действия вертикальной и продольной сил; r_д — динамический радиус качения колеса; Р_х — продоль­ная сила; Pγ — поперечная сила; Z — вертикальная сила

Полуразгруженная полуось (см. рис. 4.31, а) опирается непосред­ственно на установленный в балке моста подшипник и работает на изгиб под действием сил Z, Р_хи Pγ. При этом изгибающие мо­менты сил Z и Р_х незначительны, так как плечо b выбирают ми­нимальным, а изгибающий момент поперечной силы Pγ может   достигать значительной величины, так как плечо равно динами­ческому радиусу качения колеса r_Д. По такой схеме выполняют полуоси легковых автомобилей.

Разгруженная на три четверти полуось (рис. 4.31, б) конструк­тивно отличается от первой тем, что ведущее колесо опирается одновременно на полуось и на балку моста через один подшипник, поэтому полуось работает на изгиб лишь от поперечной силы Pγ. Изгибающие моменты от сил Z и Р_х воспринимаются балкой моста. Эта схема применяется редко.

Полностью разгруженная полуось (рис. 4.31, в) обычно приме­няется в грузовых автомобилях. Ведущее колесо через подшипни­ковый узел опирается непосредственно на балку моста. Благодаря тому, что подшипники несколько разнесены, изгибающие мо­менты сил Z, Р_хи Ру взаимодействия колеса с дорогой восприни­маются балкой моста, не нагружая полуось, которая работает толь­ко на кручение.

Особенность переднего ведущего моста автомобилей высокой проходимости состоит в том, что его передние колеса одновре­менно являются ведущими и управляемыми. Вследствие этого в ведущий мост вводятся дополнительные устройства, которые дают возможность передавать момент на управляемые колеса при их повороте.

Главная передача и дифференциал имеют такую же конструк­цию, как главная передача и дифференциал заднего ведущего моста.

На рис. 4.32 показана конструкция привода переднего ведуще­го колеса. Шарнир 8 равных угловых скоростей передает равно­мерное вращение с полуоси 6 на приводной вал 18 колеса при его повороте относительно осей 3 шаровой опоры 7.

Рис. 4.32. Привод переднего ведущего управляемого колеса:

1 — колесо; 2 — манжеты; 3 — ось; 4 — поворотный рычаг; 5 — втулка; 6 — полуось; 7— шаровая опора; 8 — шарнир равных угловых скоростей; 9 — цапфа; 10 — тормоз; 11 — ведущий фланец; 12 — крышка фланца со штуцером; 13, 14 — гайки подшипников; 15—стопорная шайба; 16— подножка; 17—ступица; 18 — приводной вал; 19 — воздушный кран; А — канал для подвода воздуха в колеса