Mechanizmy różnicowe
Mechanizm różnicowy rozdziela napęd
na półosie i umożliwia toczenie się kół
mostu napędowego z różnymi prędkościami obrotowymi. Podczas ruchu na zakręcie każde koło samochodu przebywa w tym samym czasie inne odcinki drogi. Aby koła mogły toczyć się bez poślizgu, ich prędkość obrotowa także musi być niejednakowa. Nie byłoby to możliwe, gdyby napęd był przekazywany z przekładni głównej bezpośrednio na sztywną oś łączącą obydwa koła mostu napędowego. Dlatego każde z kół mostu jest osadzone na osobnej półosi, a półosie są napędzane przez mechanizm różnicowy tak rozdzielający strumień mocy, że możliwe jest obracanie się kół z różnymi prędkościami obrotowymi.
Na rys. 14.12 przedstawiono budowę najczęściej spotykanego w samochodach stożkowego mechanizmu różnicowego. Koło talerzowe przekładni głównej jest przymocowane do obudowy mechanizmu różnicowego. Półosie napędowe są wsunięte do wnętrza mechanizmu, a na ich wielowypustowych zakończeniach są osadzone stożkowe koła zębate o zębach prostych — tzw. koła koronowe. Koła koronowe są zazębione z satelitami — niewielkimi stożkowymi kołami zębatymi o zębach prostych — osadzonymi obrotowo na czopach krzyżaka. Krzyżak jest zamocowany w obudowie mechanizmu różnicowego i obraca się wraz z nią.
Rozwiązania konstrukcyjne stożkowych mechanizmów różnicowych przedstawiono na rysunkach 14.3, 14.5, 14.7, 14.8, 14.9 i 14.11.
Jeżeli obydwa koła koronowe, połączone półosiami z kołami jezdnymi, obracają się z tą samą prędkością, wówczas satelity nie obracają się względem czopów krzyżaka i mówimy, że mechanizm różnicowy nie pracuje. Napęd jest przenoszony na koła tak, jakby to miało miejsce, gdyby były one połączone sztywną osią. Taki przypadek przenoszenia napędu zachodzi wówczas, gdy samochód porusza się po torze prostoliniowym, a promienie dynamiczne obydwu kół mostu są jednakowe *).
Jeżeli na zakręcie prędkość obrotowa jednego z kół koronowych wzrośnie, osiągając wartość większą niż prędkość co0 obudowy (obracającej się wraz z kołem talerzowym i krzyżakiem), wówczas nastąpi obrót satelitów względem czopów krzyżaka, co spowoduje, że prędkość obrotowa to2 drugiego koła koronowego zmniejszy się o taką samą wartość, o jaką wzrosła prędkość pierwszego koła. Oznaczając zmianę prędkości obrotowej kół koronowych przez Aco, można napisać równania prędkości obydwu kół
coj = co„ + Aco (o2 = co0 — Aco
Sumując obydwa równania otrzymuje się zależność kinematyczną między prędkościami obrotowymi kół cox i co2 oraz prędkością obrotową koła talerzowego przekładni głównej
Mechanizm różnicowy stożkowy jest szczególnym przypadkiem przekładni obiegowej (planetarnej). Dzięki zastosowaniu kół stożkowych koła pierścieniowe i słoneczne zostały tu zastąpione kołami koronowymi, a krzyżak wraz z obudową mechanizmu spełnia zadanie jarzma satelitów. Wzór
14.1 można więc wyprowadzić na podstawie wzoru Willisa (12.2), podstawiając wartość przełożenia wewnętrznego przekładni i{p — —1 *).
Jako mechanizmy różnicowe stosuje się także przekładnie planetarne o kołach walcowych. Schemat mechanizmu różnicowego z kołami zębatymi walcowymi przedstawiono na rys. 14.13. Zasada działania takiego mechanizmu w niczym nie odbiega od zasady działania omówionego już mechanizmu z kołami stożkowymi. W miejsce satelitów stożkowych zastosowano tu pary kół walcowych, przy czym każdy satelita częścią długości swych zębów współpracuje z kołem walcowym jednej półosi, a pozostałą częścią długości zębów współpracuje z drugim, identycznym satelitem, zazębionym z kołem walcowym drugiej półosi. Dzięki takiemu rozwiązaniu również i w tym przypadku uzyskano przełożenie wewnętrzne przekładni
Mechanizmy różnicowe z kołami walcowymi są dość rzadko stosowane ze względu na dużą liczbę satelitów, co komplikuje konstrukcję i zwiększa jej ciężar.
Jakkolwiek mechanizm różnicowy jest urządzeniem niezbędnym do prawidłowego toczenia się kół, wpływa on niekorzystnie na własności ruchowe samochodu. Rozpatrzmy równowagę sił działających na satelitę (rys. 14.14). Gdyby pominąć opory tarcia mechanizmu, siły międzyzębne działające na satelitę od strony obydwu kół koronowych byłyby równe, a ich wartość w; nosiłaby połowę wartości momentu napędowego Af0
Ze wzoru 14.2 widać, że różnica momentów między kołami mostu nie może przekroczyć podwójnej wartości momentu tarcia mechanizmu różnicowego. O-znacza to, że w razie poślizgu jednego z kół mostu, do drugiego koła doprowadzony zostaje jedynie niewielki moment równy momentowi tarcia koła ślizgającego się po śliskiej nawierzchni, powiększonemu o również niewielką (dla zwykłych mechanizmów różnicowych) wartość 2 MT. Moment taki może nie wystarczyć do uruchomienia pojazdu.
Aby zapewnić ruch samochodu w warunkach sprzyjających poślizgowi kół, mosty napędowe pojazdów przenaczonych do poruszania się w ciężkim terenie wyposaża się w mechanizmy różnicowe z urządzeniami blokującymi lub mechanizmy różnicowe o zwiększonym tarciu wewnętrznym.
Na rys. 14.15 przedstawiono przykładowo konstrukcję mechanizmu różnicowego z urządzeniem blokującym. Różni się on od zwykłego mechanizmu stożkowego tym, że jest wyposażony w sprzęgło kłowe, umożliwiające sprzęganie jednej z półosi z obudową, co powoduje zablokowanie mechanizmu. Przy jeździe samochodu w zwykłych warunkach drogowych układ blokujący jest wyłączony i mechanizm różnicowy spełnia swoje zadania. W warunkach sprzyjających powstawaniu większych różnic przyczepności kół kierowca może za pomocą specjalnego układu sterującego zablokować mechanizm (włączyć sprzęgło kłowe), uzyskując sztywne sprzęgnięcie półosi. Wadą ograniczającą stosowanie takiego rozwiązania jest łatwość uszkodzenia półosi lub kół zębatych podczas zakręcania na nawierzchni o dużym współczynniku tarcia w przypadku, gdy kierowca omyłkowo pozostawił zablokowany mechanizm.
Poprawę własności ruchowych samochodów w warunkach terenowych można uzyskać zwiększając moment tarcia MT mechanizmu, dzięki czemu możliwe są większe różnice między momentami na kołach (wzór 14.2). Na rys. 14.16 przedstawiono trzy rodzaje mechanizmów różnicowych
0 zwiększonym tarciu, stosowanych w mostach napędowych samochodów. Są to mechanizmy: krzywkowy, ślimakowy oraz z kołami zębatymi stożkowymi wyposażony we wkładki cierne.
W mechanizmie krzywkowym moment doprowadzony do obudowy mechanizmu jest przenoszony przez osadzone suwliwie w jej wycięciach (koszyku) odpowiednio ukształtowane kamienie na krzywkowy bęben i piastę, połączone wielowypustami z półosiami. Zarys krzywek jest tak dobrany, że istnieje ścisła zależność kinematyczna między prędkościami obrotowymi bębna o^, piasty co2 i koszyka co0
Cdj -j- co2 = 2 co0
Wzór ten jest identyczny ze wzorem 14.1, opisującym ruch zwykłego — stożkowego — mechanizmu różnicowego.
Różnica prędkości obrotowej kół powoduje ruch względny krzywek i promieniowe — dwukierunkowe — ruchy kamieni w koszyku. Znaczny wewnętrzny moment tarcia tego mechanizmu, stanowiący jego zaletę w warunkach terenowych, wiąże się jednak z małą sprawnością mechaniczną
1 intensywnym zużywaniem się krzywek i kamieni.
Zasada działania ślimakowego mechanizmu różnicowego jest taka sama jak zasada działania mechanizmów z kołami stożkowymi lub walcowymi, lecz jako koła koronowe zastosowano tu ślimacznice, a satelitami (osobnymi dla każdej ślimacznicy) są ślimaki. Ślimaki (satelity) obydwu kół koronowych są ze sobą sprzężone mniejszymi pośrednimi ślimacznicami. Zwiększone opory tarcia mechanizmu uzyskuje się dzięki odpowiedniemu pochyleniu zwojów ślimaka. Mechanizmy takie stosowane są bardzo rzadko ze względu na trudności technologiczne i wysoki koszt wykonania.
W mechanizmie różnicowym z wkładkami ciernymi wykorzystano częściowo elementy mechanizmu z kolami stożkowymi. Krzyżak został tu jednak zastąpiony dwiema krzyżującymi się ośkami satelitów, których czopy o ściętych powierzchniach współpracują z odpowiednimi wycięciami w obudowie. Przy przekazywaniu momentu ośki mają tendencje do odsuwania się od siebie, co powoduje, że boczne powierzchnie satelitów wywierają nacisk na czasze oporowe, dociskające sprzęgła cierne. Mimo poślizgu jednego z kół mechanizm ten przekazuje moment na drugie koło dzięki oporom tarcia, przeciwstawiającym się poślizgowi względem obudowy czaszy oporowej osadzonej na półosi.
Szczególną odmianą mechanizmów różnicowych są samozaklesz-czające się mechanizmy ze sprzęgłami jednokierunkowymi. Zasadę działania oraz przykład konstrukcji takiego mechanizmu przedstawiono na rys. 14.17. Na półosiach osadzone są sprzęgła jednokierunkowe, umożliwiające przeno ^e-nie napędu z obudowy mechanizmu na półosie. Jeżeli np. na zakręcie pi^d-kość obrotowa jednego z kół jest większa od prędkości obudowy mechanizmu, rolki sprzęgła jednokierunkowego tej półosi odklinowują się i cały moment napędowy przenoszony jest na drugie koło. Charakterystyczne jest, że dla tego mechanizmu nie istnieje jednoznaczna kinematyczna zależność między prędkością obrotową poszczególnych półosi i obudowy.