Влияние режима движения и окружающей среды на техническое состояние межколесного дифференциала

УДК 629.113

А. Ю. Барыкин, кандидат технических наук, доцент

Набережночелнинский институт (филиал)

Казанского (Приволжского) федерального университета

aleks-jb@mail.ru

Рассмотрены вопросы нагруженности межколесного дифференциала автомобиля при движении в различных условиях. Показана необходимость обеспечения переменного внутреннего трения в дифференциале. Сделаны выводы о взаимосвязи эксплуатационного состояния дифференциала и параметров внешней среды.

Ключевые слова: автомобиль, межколесный дифференциал, блокировка дифференциала, внутреннее трение, коэффициент блокировки, температурный режим.

Введение

Межколесный дифференциал является составной частью ведущего моста в большинстве конструкций современных автомобилей. Чаще всего используется конструкция с коническими зубчатыми колесами и малым внутренним трением, которое обеспечивается за счет применения антифрикционных колец или соответствующего покрытия. При необходимости повышения тяговых свойств и проходимости автомобиля применяется принудительная механическая блокировка дифференциала. Такая блокировка обычно реализуется за счет соединения одной из полуосевых шестерен и корпуса дифференциала зубчатой муфтой, управляемой дистанционно [1].

Реже используются дифференциалы, повышенное внутреннее трение которых определяется конструкцией или регулируется по различным алгоритмам, задаваемым внешним управлением. К первым относятся различные варианты самоблокирующихся дифференциалов (кулачковые, червячно-винтовые, фрикционные с дисками трения, вязкостные). Ко вторым – дифференциалы с муфтами трения, управляемыми электронным процессором в зависимости от информации, которая поступает от контрольных датчиков.

Влияние конструкции дифференциала на рабочие процессы автомобиля

Конструкция дифференциала определяет закономерности рабочих процессов, происходящих при эксплуатации автомобиля в различных условиях. Интенсивность нагружения деталей заметно изменяется в зависимости от режима движения, состояния дорожного покрытия и окружающей среды. Например, при частом маневрировании автомобиля или буксовании одного из колес в коническом дифференциале возрастает нагруженность пар трения «сателлит – крестовина» и «сателлит – корпус дифференциала». Следствием такого нагружения может быть нагрев и ускоренный износ деталей, а в некоторых случаях – заклинивание вследствие объемного расширения [2]. Существенное значение в таких ситуациях имеет конструкция и материал антифрикционных шайб или антифрикционного покрытия (рис. 1.).

Рис. 1. Конический симметричный дифференциал со следами износа

Влияние режима движения

При прямолинейном движении происходит местное нагружение контактирующих поверхностей сателлитов, шипов крестовины и чашек, следствием которого может быть их смятие или пластическая деформация [3]. При взаимодействии зубьев сателлитов и полуосевых шестерен действуют изгибные напряжения. Принято считать, что каждый сателлит передает окружные усилия двумя зубьями одновременно, и нагрузка распределяется между сателлитами равномерно [4]. Однако на практике возможно возникновение разности осевых усилий, что приводит к дополнительному нагружению деталей, не учитываемому в расчетах. В силу неточностей изготовления, износа в процессе эксплуатации, люфта в соединениях и других эксплуатационных факторов контакт зубьев происходит в неодинаковых условиях. Соответственно, отличаются и нагрузки, действующие при передаче крутящего момента от главной передачи к ведущим колесам. Поэтому целесообразно учитывать неравномерность нагружения зубьев сателлита путем введения корректирующих коэффициентов в зависимость, определяющую величину окружного усилия.

Влияние окружающей среды

Помимо режима движения на условия нагружения деталей дифференциала оказывает влияние и окружающая среда. Как уже отмечалось выше, интенсивное вращение сателлитов в нестационарном режиме нагружения может стать причиной перегрева и заклинивания деталей. Такая ситуация более вероятна при эксплуатации в жаркое время года. Дополнительным фактором здесь является снижение смазочных свойств трансмиссионного масла, происходящее при чрезмерном нагреве. Нарушение масляной пленки в парах трения скольжения может являться причиной возникновения задиров.

Однако наиболее существенное влияние природной среды проявляется при эксплуатации автомобилей в зимних условиях, особенно в регионах Сибири и Крайнего Севера [5]. Крайне низкие температуры атмосферного воздуха в сочетании с его подвижностью являются весьма неблагоприятными факторами, определяющими наряду с другими причинами сокращение периодичности технического обслуживания, увеличение частоты возникновения отказов и неисправностей [6].

Ведущие мосты автомобиля подвержены влиянию природных факторов в максимальной степени, на что указывает опыт дорожных исследований полноприводных автомобилей [7]. Как в начале движения, так и во время прохождения маршрута температура деталей моста и трансмиссионного масла может опускаться до значений окружающей среды, временно возрастая при передаче крутящих моментов. Такое возрастание, как показывают проведенные исследования [8], носит местный характер и приводит к заметному градиенту температур для отдельных деталей, что не способствует сохранению их прочности.

Тепловой баланс деталей в значительной степени связан с условиями смазки. Циркуляция масла внутри картера дифференциала определяет условия работы пар трения скольжения, перечисленных выше. Интенсивное перемешивание масла способствует прогреву деталей до более благоприятных температур. Особенно это важно для случаев преимущественно прямолинейного движения автомобиля, когда интенсивность проворота сателлитов относительно невелика.

Рост внутреннего трения в дифференциале при действии низких температур приводит к повышению степени блокировки. Это повышение является невысоким по сравнению с характеристиками самоблокируемых дифференциалов, но в некоторых случаях может стать причиной ухудшения управляемости и устойчивости автомобиля [9].

Влияние принудительной блокировки дифференциала

Применение принудительной блокировки дифференциала создает определенный режим работы, при котором сателлиты передают осевые усилия в некотором неравном, заданном в момент включения, соотношении. Причины неравенства, указанные выше, приводят к дополнительному нагружению зубчатых колес во время движения в сложных дорожных условиях, как правило на низшей передаче коробки передач, а в некоторых случаях – на низшей передаче раздаточной коробки. Такой режим нагружения может стать причиной сокращения срока службы деталей и выхода из строя дифференциала.

Исключение принудительной блокировки возможно за счут применения дифференциалов с переменным внутренним трением. Это названные ранее дифференциалы, блокировка которых осуществляется вязкостными муфтами или программно управляемыми фрикционными муфтами. Преимуществами таких механизмов является автоматичность работы, распределение крутящих моментов в соответствии с возникающим сопротивлением движению ведущих колус. Недостатками можно считать относительную сложность конструкции и большую стоимость.

Заключение

Применение любой из перечисленных конструкций дифференциалов с переменным внутренним трением потребует проведения исследования взаимосвязи выходных параметров и нагруженности узла с внешними эксплуатационными факторами. Наиболее эффективным средством обеспечения оптимального режима эксплуатации дифференциала и ведущего моста в целом является применение системы бортового подогрева. Реализация такой системы может быть осуществлена различными способами.

Работоспособность межколесного дифференциала достаточно важна для обеспечения нормального технического состояния трансмиссии. Поддержание рационального теплового режима узлов трансмиссии за счёт бортовых средств терморегуляции будет способствовать высокой эксплуатационной надёжности автомобиля в целом.