Гипоидная передача: что это такое и как работает

УАЗ 3151 «ЧЁ ЗА НЛО?» ©ГАИШНИК › Бортжурнал › Особенности гипоидной передачи или почему не стоит дергать машину задним ходом

Современный автомобиль представляет собой целый комплекс различных технических и инженерных решений. Благодаря слаженной работе всех агрегатов, устройств и механизмов различных типов удается в конечном итоге получить надежное, экономичное и комфортное транспортное средство.

Как известно, основными узлами автомобиля принято считать силовой агрегат и трансмиссию. Фактически, двигатель вырабатывает энергию, тогда как трансмиссия преобразует крутящий момент и передает его на колеса.

При этом важным элементов в устройстве многих авто является гипоидная передача. Далее мы поговорим о том, что такое гипоидные передачи, какие типы подобных передач бывают, как работает такая передача, а также какие плюсы и минусы имеет подобное решение.

Гиперболоидная передача

На сегодняшний день известно несколько типов передач, которые различаются типом применяемых шестерней. Это могут быть – цилиндрические, конические, гипоидные и т. д. Нас на данный момент интересует гипоидная передача.

Название гипоидная, является сокращением от слова гиперболоидная. Принцип действия такой системы был разработан еще в 20-х годах прошлого века, и основной целью её разработки было снижение масс в легковых автомобилях. Таим образом, она пришла на замену двойной передаче.

Отличительные особенности

Гипоидная передача — это винтовая разновидность зубчатой. Она отличается от более привычной, формой зубьев на шестерёнках, которые имеют специфическую криволинейную или косую форму, изогнутую по гиперболоиде (особая геометрическая форма). Они постепенно уменьшаются по высоте от диаметра снаружи к диаметру внутри шестеренки.

Данный вид передачи отличается так же наличием смещения оси малого зубчатого колеса относительно большого. Это смещение осуществляется в строжайшем соответствии с определёнными геометрическими формулами и любое отклонение от нормы может привести к непоправимым последствиям.

Принцип действия

Данная винтовая зубчатая передача применяется в автомобиле чаще всего для изменения направления крутящего момента и его величины. Этот вариант значительно повышает основные характеристики главной передачи. Устанавливается данная система на автомобили, имеющие ведущий задний привод, у которых редуктор главной передачи и двигатель располагаются параллельно движению. Крутящий момент от двигателя в таких транспортных средствах поступает под прямым углом на ведущую ось, что существенно улучшает механические и динамические показатели транспортного средства.

Можно ли смешивать трансмиссионные жидкости?

Чтобы разобраться в этом вопросе, надо понимать, что даже масла, имеющие схожие эксплуатационные свойства и выпускаемые одним производителем, могут иметь различный химический состав. Так, например, в общем случае, такие материалы могут быть изготовлены на минеральной или полусинтетической основе. Состав используемых присадок еще более разнообразен. При смешивании масел разных марок эти компоненты могут взаимодействовать между собой и вступать в химические реакции. Продукты этих реакций изменяют, порой кардинально, первоначальные свойства исходных масел.

Чаще всего соединение различных масел приводит к повышенному вспениванию продукта, что значительно ухудшает параметры смазывания и приводит к повышенному нагреву узлов трансмиссии.

Таким образом, от смешивания масел различных групп лучше воздержаться. В исключительных случаях можно доливать масло той же классификационной группы.

Преимущества и недостатки гипоидной передачи

Данный тип передач получает всё большее распространение в автомобилестроении. Изначально они применялись только в премиальных моделях, но сегодня их можно встретить и в более дешёвых вариантах транспортных средств. Происходит это благодаря очень хорошим показателям при эксплуатации.

К основным преимуществам гипоидных передач можно отнести

• Хорошая износоустойчивость. За счёт специфического строения зубьев достигается заметное снижение нагрузки, которая приходится на один зубчик, а значит, шестерёнки будут работать дольше.
• Удалось существенно опустить карданный вал и уменьшить его канал в салоне. Это дало возможность равномерно распределить центр тяжести транспортного средства, а также улучшило его устойчивость.
• Такие авто имеют очень хорошую устойчивость и плавный ход, что тоже очень ценится у современных водителей.
• Очень низкий уровень шума. Этот эффект достигается за счёт того, что при работе главной передачи происходит одновременное зацепление сразу нескольких зубьев. Владельцы таких автомобилей отмечают отличный акустический эффект и управление машиной становится гораздо комфортнее.

Недостатки

К сожалению, наряду с неоспоримыми преимуществами в этой конструкции можно отметить и недостатки.

• Самым главным недостатком гипоидной передачи можно считать её высокую стоимость. Это обусловлено сложностью изготовления и необходимостью очень тонкой подгонки шестеренок. Если данное условие не будет соблюдено шестерёнки, скорее всего, заклинит. Кроме того, для производства деталей требуется материал очень высокого качества, что тоже повышает стоимость конструкции.
• Другим минусом является довольно высокая вероятность заедания шестерёнок. Особенно часто данное явление можно наблюдать при применении гипоидной передачи в редукторе автомобиля. Заедания чаще всего являются результатом проскальзывания зубьев вдоль контактной линии. Кроме того, на возможность заклинивания может повлиять некачественная сборка и подгонка шестеренок или же использование материалов низкого качества при их изготовлении.
• Отдельно причиной заедания шестерёнок может стать резкая смена направления вращения или же включение задней передачи. Здесь водителю нужно быть очень внимательным и в случае, если автомобиль застрянет на плохой дороге, вытягивать его можно будет только вперёд. При выдергивании автомобиля задним ходом возникает очень большая вероятность не простого заклинивания, а даже поломки зубьев.

Во всем мире получила широкое распространение маркировка трансмиссионных смазок по индексу вязкости – SAE. Разработанный в Соединенных Штатах, стандарт SAE J306 разделяет смазочные жидкости для трансмиссий, в зависимости от вязкости при эксплуатации автотранспорта в условиях предельных температур: низких и высоких. По этой квалификации можно определить диапазон температур, в котором разрешается применять определенную смазку для механической КПП и ведущих мостов.

Рекомендации по вязкости трансмиссионных масел, которые могут применяться для МКПП и ведущих мостов автомобиля, указываются производителем в мануале пользователя. Основываясь на этих рекомендациях, владелец автомобиля выбирает трансмиссивную жидкость среди ассортимента смазочных жидкостей. Когда выбирается смазка, следует учитывать самую низкую и самую высокую температуру, при которой будет эксплуатироваться авто. Классификация SAE J306 учитывает индекс вязкости при предельных температурах.

Значение низкотемпературного предела вязкости соответствует температуре, при которой достигается динамическая вязкость по Брукфильду 150000 сантипуазов (сП). Для определения показателей проводились реальные испытания с агрегатами различных конструкций. При превышении этих значений подшипники шестерен на вале разрушались. Поэтому важно следовать рекомендациям производителей по низкотемпературному пределу применения.

Значение высокотемпературного предела определяется по показаниям кинематической вязкости смазки при температуре 100 градусов. Этот показатель помогает приблизительно определить, какую нагрузку может выдержать защитная масляная пленка и насколько достаточно ее будет, чтобы защитить механизм коробки передач при значительных нагрузках и при высоких рабочих температурах.

По классификации SAE смазочные материалы делятся на 9 классов по аналогии с моторными маслами:

Всесезонные масла маркируются с применением обеих маркировок, первая идет зимняя, вторая — летняя, например, SAE 75W-85, SAE 85W-90 и т.п.

Таблица классификации по SAE трансмиссионных смазок по индексу вязкости:

Эксплуатация сезонных смазок экономически не выгодна, так как трансмиссионные жидкости имеют большой ресурс. Если использовать сезонные смазки, их приходится менять раньше, чем они выработали свой ресурс. Поэтому более популярны всесезонные.

Уход за гипоидным агрегатом

Владелец автомобиля с такой передачей должен понимать, что при выходе шестерёнок из строя, придётся затратить очень даже не маленькую сумму на ремонт автомобиля.

Чтобы избежать подобных проблем, нужно соблюдать ряд простых рекомендаций:

• Трансмиссионное масло и жидкость, которые будут применяться в автомобиле, должны быть специально изготовленными для данного типа передач и только очень хорошего качества. Эти масла способны создавать особо устойчивую плёнку на всех поверхностях шестерёнок. Она может выдерживать большие нагрузки и не разрываться, предохраняя детали от повышенной температуры, от прямого соприкосновения деталей и т. д.
• Регулярность в техобслуживании. Это тоже довольно важная составляющая в уходе за гипоидной передачей.

Как классифицируют трансмиссионные масла?

Многообразие требований к маслам для трансмиссий, различные условия их применения и обилие марок приводят к необходимости обобщения спецификаций производителей и потребителей масел и созданию единой классификационной системы их обозначения.

В настоящее время за рубежом действует несколько классификаций таких жидкостей. Наиболее известные из них – SAE и API.

Чаще всего производители на этикетках указывают обозначение по этим обеим системам. Российские масла чаще всего классифицируют также по ГОСТ.

Итоги

Сегодня гипоидные передачи всё чаще применяются в автомобилестроении и это несмотря на их дороговизну. Наиболее часто их можно встретить в транспортных средствах «представительского» класса, например, в автомобилях «Инфинити», «Лексус» и т. д.

Но и в современных бюджетных авто сегодня можно всё чаще встретить такие передачи. Здесь нужно просто понимать, что при хорошем уходе такая лошадка будет служить долго и без особых проблем.

Классификация по ГОСТ

В России для разделения по классам вязкости и эксплуатационным группам, а также установления стандартных обозначений принят ГОСТ-17479.2-85. По данному стандарту трансмиссионные масла в зависимости от величины вязкости при температуре +100 °С подразделяются на четыре класса: 9, 12, 18, 34, а по уровню эксплуатационных свойств, составу и возможным областям применения – на пять групп: 1, 2, 3, 4, 6, 5. Принцип классификации по областям применения подобен принципам, заложенным в системе API.

В обозначении трансмиссионных масел по ГОСТ присутствуют три группы символов. Вначале указывается буквы «ТМ» (масло трансмиссионное), затем, через дефис, идет числовое указание области применения и состава. Третья группа символов в обозначении — цифры, описывающие вязкостные характеристики при высоких и низких температурах.

Так как по обозначению ГОСТ достаточно трудно с ходу определить температурный диапазон применения трансмиссионных масел, отечественные производители дополнительно указывают их вязкость по SAE.

Отличительные черты масел GL-4 и GL-5

Первым и наиболее значимым отличием между этими двумя жидкостями является область их использования. Жидкость GL-4 создана для КПП к гипоидными или коническими передачами. Контактные напряжения в них обычно не превышают показателя в 3000 МПа, а рабочая температура масла не поднимается выше 150 градусов.

Что касается GL-5, эта смазочная жидкость предназначена для нормальной работы гипоидных передач с ударными нагрузками. Эти механизмы могут испытывать напряжения более 3000 Мпа. Применяют эту смазку для агрегатов с дифференциалами повышенного трения, так как она гарантирует нормальную защиту металлических элементов под высокими нагрузками и температурными воздействиями.

Среди важных отличительных особенностей масел GL-4 относят минимальное содержание серо-фосфорных присадок. Они обеспечивают создание прочной защитной пленки, которая значительно тверже некоторых мягких сплавов, среди которых медь. Использование жидкости GL-5 в коробках передач, где по рекомендациям производителя должно использоваться масло классом ниже, недопустимо. В противном случае, это вызовет возникновение металлической стружки и приведет к износу механизма.

История

В главной передаче легкового автомобиля гипоидные шестерни впервые применены в 1926 году фирмой Packard.[3]

В России

В Советском Союзе гипоидные передачи разрабатывались и использовались для грузовых автомобилей (ГАЗ-52, ГАЗ-53, ГАЗ-66 и их модификаций), для ведущих гипоидных мостов, коробок передач и рулевого управления легковых автомобилей (ВАЗ, АЗЛК, автомобили «Волга» и др.). В настоящее время в России разрабатываются улучшенные версии гипоидной передачи.[4]

mark2grande71 › Blog › Дифференциал и главная передача.

Главная передача. При движении автомобиля крутящий момент отколенваладвигателя передаетсякоробке передачи затем, черезглавную передачу и дифференциал,на ведущие колеса. Главная передача позволяет увеличивать или уменьшать крутящий момент передаваемыйколесам автомобиляи одновременно уменьшать и соответственно увеличивать скорость вращения колес. Передаточное число в главной передаче подбирается таким образом, что максимальный крутящий момент и частота вращения ведущих колес находятся в наиболее оптимальных значениях для конкретного автомобиля. Кроме того, главная передача очень часто является объектом тюнинга автомобиля.

Устройство главной передачи. По сути, главная передача — это не что иное, какшестеренчатый понижающий редуктор,в котором ведущая шестерня связана с вторичным валом КПП, а ведомая – с колесами автомобиля. По типу зубчатого соединения главные передачи различаются на следующие разновидности:

цилиндрическая – в большинстве случаев применяется на автомобилях с поперечным расположением двигателя и коробки передач и передним приводом; коническая – применяется очень редко, так как имеет большие габариты и высокий уровень шума; гипоидная – наиболее востребованная разновидность главной передачи, которая применяется на большинстве автомобилей с классическим задним приводом. Гипоидная передача отличается малыми размерами и низким уровнем шума; червячная – практически не применяется на автомобилях по причине трудоемкости изготовления и высокой стоимости.

коническая – применяется очень редко, так как имеет большие габариты и высокий уровень шума;

гипоидная – наиболее востребованная разновидность главной передачи, которая применяется на большинстве автомобилей с классическим задним приводом. Гипоидная передача отличается малыми размерами и низким уровнем шума;

червячная – практически не применяется на автомобилях по причине трудоемкости изготовления и высокой стоимости.

Также стоит отметить, что автомобили с передним и задним приводом имеют различное расположение главной передачи. В переднеприводных автомобилях с поперечным расположением КПП и силового агрегата, цилиндрическая главная передача располагается непосредственнов картере КПП.В автомобилях с классическим задним приводом главная передача установлена в корпусе ведущего моста и соединена с коробкой передач посредством карданного вала. В функционал гипоидной передачи заднеприводного автомобиля также входит и разворот вращения на 90 градусов за счет конических шестерен. Несмотря на различные типы и расположение, предназначение главной передачи остается неизменным.

Дифференциал автомобиля. Дифференциал автомобиля чаще всего совмещен с главной передачей и располагается соответственно в картере коробки передач или в корпусе заднего моста. Однако дифференциал может быть установлен и между ведущими осями полноприводного автомобиля. Дифференциал представляет собойпланетарный редуктори делится на следующие разновидности: конический – в большинстве случаев устанавливается совместно с главной передачей между колесами одной приводной оси; цилиндрический – наиболее часто применяется для развязки ведущих осей полноприводных автомобилей; червячный – является универсальным и устанавливается как между колесами, так и между ведущими осями. Основное предназначение дифференциала заключается в распределении крутящего момента между колесами автомобиля и изменения их частоты вращении относительно друг друга. Так, напримерповорот автомобиля без дифференциала был бы попросту невозможен,так как при повороте внешнее колесо обязательно должно вращаться с большей частотой, нежели внутреннее.

Дифференциалы существуютсимметричные и несимметричные.Симметричный дифференциалпередает равный крутящий момент на оба колеса и устанавливается чаще всего совместно с главной передачей.Несимметричный дифференциалпозволяет передать крутящий момент в различных пропорциях и устанавливается между приводными осями автомобиля.

Дифференциал состоит из корпуса, шестерен сателлитов и полуосевых шестерен. Корпус обычно совмещен с ведомой шестерней главной передачи. Шестерни сателлиты играют роль планетарного редуктора и соединяют полуосевые шестерни с корпусом дифференциала. Полуосевые (солнечные) шестерни соединены с ведущими колесами посредством полуосей на шлицевых соединениях. При всех плюсах у простейшего дифференциала существует и недостаток. Дело в том, что частота вращения может быть распределена на колеса не только в соотношении, например 50/50, 40/60 или 35/65, но и 0/100. То есть, на одно колесо автомобиля может быть передан абсолютно весь крутящий момент, в то время как второе колесо будет абсолютно статично. Такое случается в том случае если автомобиль застрял в грязи или на льду. Однако современные дифференциалы более совершенны и практически лишены данного недостатка. Многие дифференциалы имеют жесткую автоматическую или ручную блокировку. Кроме того современные легковые полноприводные автомобили снабжаются системой курсовой устойчивости, которая основана на оптимальном распределении крутящего момента между осями и отдельными колесами в зависимости от траектории движения.

Виды, устройство и принцип работы главной передачи

Главная передача автомобиля – элемент трансмиссии, в наиболее распространенном варианте состоящий из двух шестерен (ведомой и ведущей), призванный преобразовывать крутящий момент, поступающий от коробки передач, и передавать его на ведущую ось. От конструкции главной передачи напрямую зависят тягово-скоростные характеристики автомобиля и расход топлива. Рассмотрим устройство, принцип действия, виды и требования к механизму трансмиссии.

Принцип работы

Принцип действия главной передачи достаточно прост: во время движения автомобиля крутящий момент от двигателя передается коробке переменных передач (КПП), а затем, посредством главной передачи и дифференциала, приводным валам автомобиля. Таким образом, главная передача непосредственным образом изменяет крутящий момент, который передается колесам машины. Соответственно, посредством нее изменяется и скорость вращения колес.

Основная характеристика этого редуктора — передаточное число. Данный параметр отражает отношение количества зубьев ведомой шестерни (связана с колесами) к ведущей (связана с вторичным валом коробки передач). Чем больше передаточное число, тем быстрее автомобиль разгоняется (крутящий момент увеличивается), но при этом уменьшается значение максимальной скорости. Уменьшение передаточного числа увеличивает максимальную скорость, при этом машина начинает ускоряться медленнее. Для каждой модели автомобиля передаточное число подбирается с учетом характеристик двигателя, КПП, размера колес, тормозной системы и т.д.

Устройство и основные требования к главной передаче

Устройство рассматриваемого механизма простое: главная передача состоит из двух шестерен (зубчатый редуктор). Ведущая шестерня имеет меньший размер, при этом она имеет связь с вторичным валом коробки передач. Ведомая шестерня больше ведущей, а связана она с дифференциалом и, соответственно, с колесами машины.

Схема главной передачи ведущего моста автомобиля: 1 — ведущие колеса; 2 — полуось; 3 — ведомая шестерня; 4 -ведущий вал; 5 -ведущая шестерня

Рассмотрим основные требования, предъявляемые к главной передаче:

• минимальный уровень шума и вибраций при работе;
• минимальный расход топлива;
• высокий КПД;
• обеспечение высоких тягово-динамических характеристик;
• технологичность;
• минимальные габаритные размеры (чтобы увеличить клиренс и не повышать уровень пола в автомобиле);
• минимальная масса;
• высокая надежность;
• минимальная необходимость в обслуживании.

Увеличить КПД главной передачи можно повысив качество изготовления зубьев обоих шестерен, а также увеличив жесткость деталей и применив в конструкции подшипники качения. Отметим, что максимально сокращать вибрации и шум при работе чаще всего требуется для зубчатых редукторов легковых автомобилей. Вибрации и шум можно минимизировать, обеспечив надежное смазывание зубьев, повысив точность зацепления зубчатых колес, увеличив диаметр валов, а также прочими мерами, которые повышают жесткость элементов механизма.

Классификация главных передач

По числу пар зацеплений

• Одинарная — имеет в составе только одну пару шестерен: ведомую и ведущую.
• Двойная — имеет в составе две пары зубчатых колес. Делится на двойную центральную или двойную разнесенную. Двойная центральная располагается только в ведущем мосту, а двойная разнесенная еще и в ступице ведущих колес. Применяется на грузовом транспорте, так как на нем требуется повышенное передаточное число.

Одинарная и двойная главная передача

По виду зубчатого соединения

• Цилиндрическая. Применяется на машинах с передним приводом, в которых двигатель и коробка переключения передач имеют поперечное расположение. В этом типе соединения применяются шестерни с шевронными и косыми зубьями.
• Коническая. Используется на тех заднеприводных машинах, в которых не важны размеры механизмов и нет ограничений на уровень шума.
• Гипоидная — самый популярный вид зубчатого соединения для автомобилей с задним приводом.
• Червячная -в конструкции трансмиссии автомобилей практически не применяется.

Цилиндрическая главная передача

По компоновке

• Размещенные в коробке передач либо в силовом агрегате. На переднеприводных автомобилях главная передача расположена непосредственно в корпусе КПП.
• Размещенные отдельно от КПП. В машинах с задним приводом главная пара шестерен располагается в картере ведущего моста вместе с дифференциалом.

Отметим, что в полноприводных автомобилях расположение главной пары зубчатых колес зависит от разновидности привода.

Коническая главная передача

Преимущества и недостатки

Каждый из типов зубчатых соединений имеет свои плюсы и минусы. Рассмотрим их:

• Цилиндрическая главная передача. Максимальное передаточное число ограничено значением 4,2. Дальнейшее увеличение отношения числа зубьев ведет к существенному увеличению размера механизма, а также повышению уровня шума.
• Гипоидная главная передача. Этот тип отличается низкой нагрузкой на зубья и пониженным уровнем шума. При этом из-за смещения в зацеплении шестерен повышается трение скольжения и понижается КПД, но в то же время появляется возможность опустить карданный вал максимально низко. Передаточное число для легковых автомашин – 3,5-4,5; для грузовых – 5-7;.
• Коническая главная передача. Используется редко из-за большого размера и шумности.
• Червячная главная передача. Данная разновидность зубчатого соединения из-за трудоемкости изготовления и высокой стоимости производства практически не используется.

Главная передача — это неотъемлемая часть трансмиссии, от которой зависит расход топлива, максимальная скорость и время разгона машины. Именно поэтому при тюнинге трансмиссии пару зубчатых колес часто меняют на улучшенный вариант. Это помогает снизить нагрузку на КПП и сцепление, а также улучшить разгонную динамику.

Гипоидная передача

Общие сведения.

Гипоидная передача — это передача между валами с перекрещивающимися осями, для которойЕ —гипоидное смещение осей колес (рис. 6.2). При этом коэффициент гипоидного смещенияк_Е= =E/d₂= 0,2—0,3, гдеd₂—диаметр колеса.

С увеличением значенияк_Еповышается нагрузочная способность гипоидных передач, но одновременно увеличиваются продольное скольжение и асимметричность зацепления, снижается КПД, возрастает опасность заедания. Все это приводит к ограничению значения гипоидного смещения.

В гипоидной передаче контакт, близкий к линейчатому, происходит при использовании соответствующего метода нарезания. Нарезание зубьев гипоидных колес выполняется с помощью резцовых головок аналогично нарезанию круговых зубьев конических колес, причем в результате применения дополнительных наладок станка обеспечивается получение линейчатого контакта зубьев, локализованного в пределах овального пятна контакта. Кроме того, приведенный радиус кривизны сопряженных поверхностей зубьев колес гипоидной передачи оказывается значительно большим, чем у круговых зубьев конических колес, имеющих те же параметры, а диаметр ее шестерни больше и, следовательно, она прочнее. Благодаря этому гипоидная передача может передавать большую нагрузку, чем коническая передача с тем же передаточным числом. Улучшению условий работы гипоидной передачи способствует также большая жесткость вала шестерни. Передаточное число гипоидной передачии

Рис. 6.2. Гипоидная передача

Достоинства гипоидных передач следующие: шестерня не имеет консольного расположения, т.е. шестерня и колесо имеют двухсторонние опоры; при равных условиях (одинаковых габаритных размерах и параметрах) гипоидная передача имеет большую нагрузочную способность по сравнению с конической передачей с криволинейными зубьями; большая плавность, малый шум; хорошая прирабатываемость зубьев; возможность передачи движения от ведущего вала на несколько ведомых валов.

Недостатки гипоидных передач: начальный точечный контакт, а также значительное скольжение зубьев вдоль линии контакта и неблагоприятные условия для образования масляного клина могут вызвать заедание; значениеЕограничивается опасностью проявления заедания; большая чувствительность к погрешностям монтажа и сборки, сложность изготовления из-за геометрической сложности зацепления и необходимость использования специального оборудования.

Прии= 1,0. 2,5 смещение осей валовЕ=(0,2. 0,3)d₂‘,прии2,5 смещениеЕ= 0,2d₂.В любом случае в гипоидной передаче? р2-

На плавность работы передачи благоприятно влияет увеличение угла наклона зубьев (3] вследствие увеличения числа зубьев в зацеплении. Однако при значительном увеличении этого угла КПД передачи снижается.

Минимальное число зубьев шестерни z_lmin= 15 прии16.

Оси гипоидных колес обычно перекрещиваются в пространстве под углом ср = 90° (рис. 6.3,а).Различие углов зацепления (для противоположных сторон зубьев) характеризует асимметричность профиля зубьев, определяемую особенностями их нарезания в целях получения линейчатого контакта и локализации пятна контакта в средней части зуба (рис. 6.3,б).

Углы начального конуса шестерни и колеса при ср = 90° определяются выражениями:

Углы спирали зубьев шестерни и колеса в средней точке можно записать в виде:

Рис. 6.3. Схема(а),пятно контакта(б),положение углов спиралей(в)и векторы скоростей (г) гипоидного зацепления

Здесь разность углов спиралей шестерни и колеса (рис. 6.3,в)р = (3i — (3₂= arcsin(l,9^_?/cos(p₁), ак_Е— коэффициент гипоидного смещения.

Из равенства нормальных составляющих окружных скоростей колес в точкеР(рис. 6.3,г)передаточное число гипоидной передачи с учетом условия 0,5^/jCOjCOsP, = O^^o^cosf^ определяется зависимостью

Скорость относительного продольного скольжения зубьев, м/с:

Коэффициенты торцевого и осевого перекрытия:

Причиной выхода гипоидных передач из строя, как и других передач между валами с перекрещивающимися осями, являются заедание, выкрашивание и поломка зубьев. В целях повышения несущей способности из условия сопротивления заеданию зубья колес гипоидных передач выполняются с высокой поверхностной твердостью (более 40. 50 HRC) и применяются масла с противозадирными присадками (гипоидные).

Силы, действующие в зацеплении гипоидных передач, можно определить по формулам для конических передач с криволинейными зубьями с учетом соответствующих углов спирали зубьев шестерни и колеса в средней точке (3j и р₂–

Главная передача и дифференциал

Главная передача

Главная передача предназначена для увеличения крутящего момента, передаваемого к ведущим колесам. Устройство ее, на первый взгляд, весьма просто — две шестерни. Одна, размером поменьше, является ведущей, вторая, побольше — ведомой. Но от конструкции главной передачи во многом зависят тягово-скоростные характеристики автомобиля и расход топлива.

Гипоидная передача

На заднеприводных автомобилях применяется гипоидная главная передача, так как крутящий момент нужно передать на ведущие колеса под углом 90 градусов. Почему применяется более сложная в изготовлении гипоидная передача, а не простая коническая? Да потому что у конической передачи ее простота является единственным преимуществом. А недостатков больше: шумность, низкая несущая способность, высокое расположение карданного вала (а, следовательно, и трансмиссионного туннеля в кузове автомобиля). В гипоидной передаче ось ведущей шестерни смещена относительно оси ведомой на величину гипоидного смещения. Поэтому карданный вал располагается ниже, что позволяет уменьшить высоту трансмиссионного туннеля. При этом снижается центр тяжести автомобиля, тем самым улучшая его устойчивость.

Зубья шестерен выполняются косыми или криволинейными. Благодаря тому, что в гипоидной передаче одновременно находится в зацеплении больше зубьев, чем в конической, обеспечивается ее плавная и бесшумная работа, повышается нагрузочная способность. Однако, из-за более плотного прилегания зубьев увеличивается опасность заклинивания, особенно при изменении направления вращения. Поэтому гипоидные передачи требуют высокой точности регулировки и применения специального трансмиссионного масла. В масла для гипоидных передач добавляются противоизносные и противозадирные присадки.

В переднеприводных автомобилях, где нет необходимости изменять направление передаваемого момента, в главной передаче применяются простые цилиндрические шестерни. Конструктивно главная передача устанавливается в общем картере с коробкой передач. Цилиндрические передачи просты в изготовлении, недороги, опасность задиров низка. Поэтому для их смазки в большинстве случаев применяется не специальное трансмиссионное масло, а моторное.

Как влияет передаточное число главной пары на тягово-динамические характеристики? Чем оно выше, тем быстрее происходит разгон, но максимальная скорость ниже. И, наоборот, с уменьшением передаточного числа автомобиль разгоняется медленнее, но достигает большей максимальной скорости. Значение передаточного числа для конкретной модели автомобиля подбирается с учетом характеристик двигателя, размера колес, возможностей тормозной системы.

Дифференциал

Для тех, кто не изучал английский STRAIGHT – ПРЯМО same speed – одинаковая скорость pinion gears rotate with case – сателлиты вращаются вместе с корпусом TURN – ПОВОРОТ fast – быстро, slow – медленно outer wheel faster – внешнее колесо быстрее inner wheel slower – внутреннее колесо медленнее pinion gears rotate on pinion shaft – сателлиты вращаются на своих осях

Дифференциал — это механизм, позволяющий (при необходимости) ведущим колесам автомобиля вращаться с разными скоростями. Для чего это нужно? При движении по прямой колеса проходят одинаковый путь, в повороте же внешнее колесо проходит путь больший, чем внутреннее колесо. Поэтому, чтобы «успеть» за автомобилем, внешнее колесо должно вращаться быстрее.

Устройство дифференциала несложное — корпус, ось сателлитов и два сателлита (шестерни). Корпус крепится к ведомой шестерне главной пары и вращается вместе с ней. Сателлиты входят в зацепление с шестернями полуосей, которые непосредственно вращают колеса.

В такой конструкции сателлиты передают больший крутящий момент на ту полуось, которая оказывает меньшее сопротивление вращению. То есть, с большей скоростью будет вращаться колесо, которое дифференциалу легче раскрутить. При движение по прямой колеса нагружены одинаково, дифференциал делит крутящий момент поровну, сателлиты не вращаются вокруг своей оси. В повороте внутреннее колесо нагружено больше, внешнее — разгружается. Поэтому сателлиты начинают вращаться вокруг оси, подкручивая менее нагруженное колесо, увеличивая тем самым скорость его вращения.

Но такая особенность дифференциала иногда приводит к весьма неприятным последствиям. Если, например, одно из колес попадет на скользкую поверхность, дифференциал будет вращать только его, полностью игнорируя колесо, имеющее нормальный контакт с дорогой. То есть, автомобиль будет «буксовать».

Для борьбы с этим явлением применяются блокировки дифференциала. Способов блокировок придумано множество — от простых механических до изощренных электронных.

Дифференциал с полной блокировкой

Применяется во внедорожниках. В такой конструкции валы полуосей жестко соединяются между собой, вращаясь, таким образом, с равными скоростями. Блокировка включается водителем вручную перед преодолением труднопроходимого участка, после чего ее необходимо выключать во избежание перегрузок трансмиссии, повышенного износа шин и снижения управляемости автомобиля. При движении в обычных дорожных условиях полную блокировку применять, естественно, нельзя.

Дифференциал с частичной блокировкой

В таких дифференциалах блокировка включается автоматически, поэтому их еще называют самоблокирующимися. При этом усилие блокировки нарастает постепенно, пропорционально разнице в скорости вращения или величине крутящего момента. По конструкции самоблокирующиеся дифференциалы можно разделить на четыре вида: вязкостные, дисковые, винтовые, электронноуправляемые.

Вискомуфта

Вискомуфта (вязкостная муфта) представляет собой герметичный корпус, в котором размещены два пакета фрикционов. Пространство внутри корпуса заполнено силиконовой жидкостью, вязкость которой зависит от температуры. Один пакет фрикционов соединяется с корпусом дифференциала, второй — с одной из полуосей. В обычных условиях, когда полуоси вращаются с одинаковой скоростью, или с небольшой разницей, вискомуфта себя никак не проявляет. При пробуксовке одного из колес скорость вращения полуоси резко возрастает, жидкость при этом интенсивно нагревается, а ее вязкость повышается. В результате пакеты фрикционов «слипаются» – скорости валов выравниваются. При остывании вязкость снижается — валы снова вращаются независимо. Вискомуфта способна обеспечить лишь небольшой коэффициент блокировки, при длительной пробуксовке перегревается, срабатывает с запаздываниями (пока нагреется жидкость). Поэтому область ее применения — обычные городские автомобили, для преодоления бездорожья она не подходит.

Дифференциал с дисковой блокировкой

Дисковые дифференциалы – это обычные дифференциалы, в которые дополнительно встраиваются один или два пакета фрикционов и распорная пружина, создающая преднатяг (сжатие пакетов). В пакете фрикционов часть дисков крепится к полуоси, вторая — к корпусу дифференциала. Когда колеса вращаются с одинаковыми скоростями, диски в пакете вращаются как одно целое. При разнице в скорости вращения между ними возникают силы трения, стремящиеся выровнять скорости. Таким образом осуществляется частичная блокировка дифференциала. Очевидны недостатки дисковой блокировки — постоянный, пусть даже и небольшой, момент трения, создаваемый преднатягом, ухудшает управляемость, быстрее изнашиваются шины, увеличивается расход топлива. Да и срок службы фрикционов сравнительно небольшой. По мере их износа снижается и степень блокировки, а после полного износа дифференциал работает уже как свободный. Отсюда вывод — чем чаще «буксуешь», тем быстрее «умирает» дифференциал. Дисковые дифференциалы требуют применения специального трансмиссионного масла.

Усилием преднатяга определяется степень блокировки и минимальный крутящий момент, передаваемый на колесо в любых дорожных условиях. Регулируя степень преднатяга подбирают нужный компромисс между проходимостью и управляемостью. Дисковые дифференциалы с малым преднатягом используются на обычных, дорожных автомобилях, с большим — на спортивных.

Более «продвинутой» версией дискового дифференциал является героторный дифференциал. В нем шестеренчатый масляный насос приводит в действие поршень, который сжимает пакет фрикционов. А производительность насоса зависит от разницы в скорости вращения полуосей. Чем больше эта разница — тем сильнее усилие сжатия, а, соответственно, и степень блокировки.

Дифференциалы Торсен и Квайф

Червячные дифференциалы — используют для блокировки свойства червячных передач. Самыми распространенными являются дифференциалы Торсен и Квайф. Червячная передача состоит из червяка и червячного колеса. Червяк (сателлит) является ведущим звеном, колесо (шестерня полуоси) — ведомым. КПД передачи при прямом вращении намного больше, чем при обратном, и зависит от угла наклона витков червяка. Говоря проще, червяк легко вращает колесо, колесо же с трудом вращает червяк. При определенном угле витка червяка обратная передача становится вообще невозможной — то есть, колесо не сможет вращать червяк (происходит самоторможение). Таким образом, подбирая угол наклона витков червяка, регулируют степень блокировки дифференциала Торсен. Блокирующие свойства Торсена зависят также и от величины передаваемого крутящего момента. Существует три типа дифференциала Торсен. Типы Т1 и Т2 отличаются формой сателлитов и используются в качестве межколесных. Торсен Т3 используется в полноприводных автомобилях в качестве межосевого дифференциала.

В дифференциале «Квайф» сателлиты не посажены на оси, а свободно расположены в гнездах корпуса. При возникновении разницы в скорости вращения полуосей сателлиты, блокируясь, сдвигаются в гнездах и прижимаются к корпусу. Возникающая при этом сила трения пропорциональна разнице скоростей вращения. Степень блокировки регулируют, подбирая сателлиты с различным углом наклона витков.

Червячные дифференциалы по сравнению с дисковыми отличаются большей надежностью и коэффициентом блокировки, меньше боятся пробуксовки (но длительные и частые пробуксовки все равно не рекомендуются). Однако такие дифференциалы, в отличие от дисковых и вискомуфты, совершенно беспомощны против диагонального вывешивания.

Электронно управляемые дифференциалы. Электроника, активно внедряемая во все узлы и системы автомобиля, не обошла стороной и дифференциал. Типовая конструкция электронно управляемого дифференциала напоминает устройство обычного дискового дифференциала, но сжатие фрикционов осуществляется гидро- либо электроприводом по команде блока управления. Таким образом можно регулировать степень блокировки в самых широких пределах — от 0 до 100%. Все зависит от заложенной в блок программы.

Казалось бы, идеал достигнут! Но, нет пытливые японцы пошли дальше и сконструировали активный дифференциал — самый совершенный на данный момент. Обычный электронно управляемый дифференциал при пробуксовке только выравнивает скорости вращения полуосей. Активный же дифференциал может вращать полуоси с разными скоростями, в зависимости от дорожной ситуации. Например, в повороте добавить момент на внешнее разгруженное колесо, помогая автомобилю «довернуться».

Что такой дифференциал представляет собой конструктивно? Обычный свободный дифференциал дополнен двумя передачами — повышающей и понижающей. Включает передачи при помощи мокрых сцеплений блок управления. Величина передаваемого крутящего момента регулируется степенью сжатия сцеплений. Таким образом автомобиль с активным дифференциалом может и мастерски проходить крутые виражи, и на бездорожье не спасует. Другой вопрос, стоит ли овчинка выделки: цена дифференциала немаленькая. Поэтому и ограничивается его применение только мощными спортивными автомобилями.

Имитация блокировок. В последнее время большое распространение получили электронные системы, которые при возникновении пробуксовки подтормаживают буксующее колесо с помощью штатной тормозной системы, имитируя блокировку дифференциала. Для обычного городского автомобиля, не выезжающего на бездорожье — самое практичное решение. И на скользкой дороге поможет, и даже диагонального вывешивания не боится.

Преимущества и недостатки. Автомобиль с самоблокирующимся дифференциалом увеличивает тягу на колесах, тем самым повышая проходимость на бездорожье и на скользкой дороге (еще бы, а ради чего тогда было огород городить?). Также улучшается динамика разгона. Широко используются такие дифференциалы на мощных спортивных автомобилях и в тюнинге для более полной реализации мощности, прохождения поворотов в скольжении.

Но то, что хорошо для спортивного автомобиля, не всегда благо для обычного. Ведь самоблокирующийся дифференциал, повышая проходимость, ухудшает управляемость. Например, при разгоне на скользкой дороге автомобиль сложнее удержать на прямой. Если блокировки нет, автомобиль, проскальзывая, просто теряет ускорение. Если же срабатывает блокировка, не буксующее колесо (или колеса) продолжают толкать автомобиль вперед, тем самым уводя его с прямолинейной траектории.

Блокировки, установленные на передней оси, увеличивают недостаточную поворачиваемость (траектория в повороте стремится распрямиться), установленные в задней оси — повышают избыточную поворачиваемость (в повороте увеличивается склонность к заносу).

Самоблокирующиеся дифференциалы еще называют дифференциалами повышенного трения. А повышенное трение приводит к увеличенному расходу топлива, снижению срока службы шин и деталей трансмиссии.