НЕОБХОДИМОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ РАЗДАТОЧНЫХ КОРОБОК НА ПОЛНОПРИВОДНЫХ АВТОМОБИЛЯХ
ВЕСТНИК АКАДЕМИИ ВОЕННЫХ НАУК
№ 3(24)/2008 (спецвыпуск)
УДК 621.43068
А.Н. МАРТЫНОВ
Г.Д. ДРАГУНОВ,
кандидат технических наук, профессор
К.Н. СЕМЕНДЯЕВ,
кандидат технических наук
Челябинск, ЧВВАКИУ
НЕОБХОДИМОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ РАЗДАТОЧНЫХ КОРОБОК НА ПОЛНОПРИВОДНЫХ АВТОМОБИЛЯХ
Появление в мировом автомобильном парке полноприводных колесных машин связано с необходимостью выполнения транспортной работы в условиях плохих дорог и на местности, обладающей слабой несущей способностью и низкими сцепными свойствами, прежде всего, в условиях Заполярья, Дальнего Востока и Сибири. Этим объясняется стремление конструкторов обеспечить повышение проходимости и надежности создаваемой техники.
Многолетний опыт использования автомобилей с приводом на все колеса обнаружил у них кроме высокой проходимости целый ряд достоинств, которые послужили причиной проявляемого к ним в настоящее время повышенного интереса, как со стороны заказчика, так и со стороны теоретиков и практиков автомобилестроения.
В настоящее время только в Вооруженных Силах Российской Федерации на 70-80 % автомобилей, состоящих на вооружении, установлены вооружение и техника, играющие главную роль в исходе операции. Выполнение поставленной задачи во многом зависит от сохранения подвижности автомобильного транспорта. Такое свойство, как проходимость автомобиля, также играет огромную роль в малонаселенных районах Сибири, Крайнего Севера и Дальнего Востока, где порой приходится решать транспортные задачи на одиночных автомобилях.
Под проходимостью автомобиля подразумевается свойство, обусловливающее его способность двигаться и выполнять транспортную работу в тяжелых дорожных условиях и по бездорожью, преодолевать без посторонней помощи естественные и искусственные препятствия. В зависимости от характера и тяжести дорожных условий потеря проходимости может наступить по нескольким причинам: ввиду большого сопротивления движению и недостаточности тягово-сцепных свойств; вследствие невозможности преодоления различного рода препятствий и неровностей рельефа местности и т. д. Важнейшую роль в повышении проходимости автомобиля при движении по бездорожью играет наличие раздаточной коробки.
Раздаточная коробка (РК) представляет собой узел трансмиссии, предназначенный для распределения мощностного потока силовой установки по ведущим мостам автомобиля. В большинстве случаев на РК возлагаются дополнительно функции демультипликатора, что увеличивает диапазон регулирования крутящего момента (КМ), подводимого к ведущим колесам, и тем самым повышает возможности машины по преодолению участков пути, характеризующихся большими сопротивлениями ее движению.
Из всего многообразия созданных на данный момент конструкций РК целесообразно выделить в зависимости от типа привода выходных валов две принципиально различные схемы:
раздаточные коробки с блокированным распределением КМ (с блокированным приводом ведомых валов);
раздаточные коробки с дифференциальным распределением КМ (дифференциальные РК).
Последующая оценка конструктивных особенностей РК будет осуществляться в соответствии с названным выше их основным различием.
Раздаточные коробки с блокированным распределением крутящего момента
Наличие блокированного привода ведомых валов РК позволяет полностью использовать сцепной вес автомобиля, т. е. обеспечивает возможность получения максимальной силы тяги по условиям сцепления колес с опорной поверхностью всех его ведущих мостов. Отсутствие в этих РК дифференциальных механизмов и муфт свободного хода существенно упрощает конструкцию как их редукторов, так и приводов управления ими. Эти два несомненных достоинства, присущие рассматриваемым агрегатам, обусловливают их применение в трансмиссиях полноприводных автомобилей (ППА) наряду с дифференциальными РК.
Все РК с блокированным распределением КМ целесообразно разделить на две группы в зависимости от взаимного расположения их ведомых валов:
с соосным расположением (рис. 1);
с несоосным расположением (рис. 2).
И те и другие, в свою очередь, могут быть с промежуточным валом и без него. Применение промежуточного вала усложняет конструкцию, уменьшает жесткость картера, увеличивает габаритные размеры и массу РК. Кроме того, эти коробки имеют большее число подшипников и зубчатых колес, что, в свою очередь, повышает потери мощности на преодоление трения в полюсах зацепления, моментов инерции вращающихся деталей и снижает коэффициент полезного действия (КПД) агрегата.
Раздаточные коробки (см. рис. 1) имеют соосную установку ведомых валов и параллельное их оси размещение ведущего вала. Благодаря такому расположению основных валов редуктора из круга циркуляции мощности полностью исключаются все его ЗК и промежуточный вал, что повышает долговечность РК.
Однако из-за отсутствия прямой передачи подшипники и зубчатые колеса этих РК нагружены на всех режимах работы, а это снижает их КПД и долговечность. Здесь обнаруживается некоторое противоречие по отношению к долговечности.
С одной стороны, при отсутствии зубчатых колес редуктора в круге циркуляции мощности долговечность РК должна повышаться, а с другой - нагружение названных деталей на всех режимах ее работы ускоряет процесс их естественного износа, т. е. снижает значение рассматриваемого показателя. Учитывая непродолжительность движения с включенным передним мостом (не более 0,5 ... 0,7 % от общего пробега) автомобилей, оснащенных такими РК, вывод о низкой долговечности этих коробок является более предпочтительным.
Отличительной особенностью другой группы принципиальных схем РК (см. рис. 2) является несоосная расстановка ведомых валов, причем один из них располагается соосно ведущему валу. Такая компоновка основных валов позволяет получить прямую передачу, при которой, как правило, большая часть мощности передается к заднему мосту без потерь на преодоление сил трения в полюсах зацепления зубчатых колес. Это несколько (на 1,3 ... 2,5 %) повышает КПД по сравнению с РК, рассмотренными выше. Однако при несоосном расположении ведомых валов увеличивается круг циркуляции мощности, в который дополнительно к ведомым валам входят детали их кинематической связи. В связи с этим отключение переднего моста становится еще более необходимым условием для обеспечения требуемой долговечности РК при сохранении неизменными ее габаритных размеров и материалов для изготовления основных деталей.
Таким образом, к наиболее предпочтительным из числа РК с блокированным приводом ведомых валов, по нашему мнению, следует отнести коробки с несоосными ведомыми валами, так как они имеют сравнительно простую конструкцию.
Все РК с блокированным распределением КМ обладают общим недостатком, ограничивающим область их применения автомобилями малой и средней грузоподъемности. Этот недостаток состоит в том, что они не позволяют исключить циркуляцию мощности, сохраняя машину полноприводной. Отключение переднего моста только в РК не является оптимальным решением отмеченной проблемы. Так как в этом случае снижаются не только проходимость машины, но согласно результатам испытаний, проведенных, как отечественными предприятиями, так и зарубежными фирмами, и ее топливная экономичность, устойчивость движения в экстремальных условиях, а также уменьшается ходимость шин.
Дифференциальные раздаточные коробки
Раздаточные коробки с дифференциальным распределением КМ (мощностного потока) нашли в современном автомобилестроении наиболее широкое распространение. Главное достоинство дифференциальных РК заключается в том, что они практически полностью исключают циркуляцию мощности в приводе ведущих мостов. Благодаря этому мосты могут быть постоянно включенными, а это, в свою очередь, обеспечивает равномерную их загрузку. Сохранение высокой проходимости машины по участкам пути с низкими сцепными свойствами достигается оснащением РК механизмами принудительной блокировки МОД.
Основные принципиальные схемы дифференциальных РК представлены на рис. 3. Характерной особенностью этих схем, применительно к дифференциальным РК является соосное расположение ведомых валов, если мощность распределяется между центральными редукторами главных передач, а не ведущими бортами машины.
Дифференциальные РК могут выполняться с промежуточным валом (см. рис. 3 а, б, в) и без него (см. рис. 3 г).
В коробках с промежуточным валом, как правило, большее количество ЗК и подшипников, что усложняет их конструкцию, повышает габаритные размеры и материалоемкость, снижает КПД. Однако наличие промежуточного вала расширяет компоновочные возможности и позволяет распределить передаточное число низшей передачи между двумя парами зубчатых колес и тем самым уменьшить диаметр ведомого колеса РК. Кроме того, при соосном расположении ведомых валов и наличии промежуточного вала меньше реактивный момент, действующий на детали крепления РК, так как в этом случае он равен разности моментов на ведомом и ведущих валах.
В раздаточных коробках без промежуточного вала (см. рис. 3 г) и соосным расположением выходных валов реактивный момент равен сумме моментов на этих ведущих валах.
Однако эти коробки содержат меньшее количество основных деталей и подшипников, выполнены конструктивно проще, менее материалоемки.
Так, например, муфты, установленные на ведущем валу (см. рис. 3 а, г), обычно передают меньшие КМ, но при этом ухудшаются условия смазывания подшипников шестерен, размещенных на нем с возможностью свободного вращения. В раздаточной коробке автомобиля КамАЗ-4310 (см. рис. 3 б) для переключения передач используются две муфты, одна из них размещена на промежуточном валу, а другая - валу водила межосевого дифференциала (МОД).
Это позволило повысить жесткость ведущего и промежуточного валов, сократив их длину, улучшить смазывание подшипников ведомых шестерен, приблизив их к масляной ванне, но вместе с этим привело к увеличению длины вала водила и усложнению привода управления.
В зависимости от требуемого соотношения распределяемого КМ между ведущими мостами (тележками мостов) РК могут оснащаться симметричными (см. рис. 3 в) и несимметричными дифференциальными механизмами (см. рис. 3 а, б и г). Для принудительной блокировки МОД чаще всего используют зубчатые муфты, что значительно упрощает конструкцию механизма принудительной блокировки и привода управления им. Вместе с этим наличие зубчатых муфт в случае кинематического рассогласования ведомых звеньев дифференциала не позволяет эффективно использовать механизмы принудительной блокировки по их прямому предназначению. Это, в свою очередь, может привести к потере кинетической энергии машины и потере ее подвижности.
Кроме того, к разряду существенных, по нашему мнению, нерешенных инженерных задач при создании дифференциальных РК представляется возможным отнести следующее: упрощение конструкции РК, повышение ее технологичности /ГОСТ 14.304-73 ЕСТПП Правила выбора технологического оборудования, ГОСТ 21624-81 СТОРТ Требования к эксплуатационной технологичности и ремонтопригодности/и КПД, уменьшение материалоемкости и возможность управления РК в движении.
Эти задачи в значительной степени могут быть решены при выполнении дифференциальных РК по принципиальным схемам, предполагающим несоосное расположение ведомых валов, которое позволяет разместить МОД соосно ведущему валу и одному из ведомых валов, как правило, валу привода заднего моста, т. е. получить прямую передачу (повысить КПД) и, кроме этого, позволит включать пониженную передачу в РК на движущемся автомобиле без риска отказа РК.
Таким образом, перспективность дифференциальных РК по сравнению с РК, обеспечивающими только блокированное распределение мощностного потока, не вызывает сомнений. При этом новые инженерные решения позволяют повысить технический уровень РК и, следовательно, могут послужить ориентиром для дальнейшего развития конструкций этих основных узлов трансмиссии полноприводных автомобилей. Кроме того, весьма важным условием эволюции любого объекта является четкое объективное определение предъявляемых к нему требований и технических (применительно к техническим объектам) решений по их реализации.
ЛИТЕРАТУРА:
1. Демьянов Л.А., Сарафанов С.К. Пути повышения надежности и долговечности автотракторных двигателей. Москва. Воениздат, 1967.-53с
2. Моисейчик А.Н. Пусковые качества карбюраторных двигателей Москва. Машиностроение, 1968. - 136с.
3. Семенов Н.В. эксплуатация автомобилей в условиях низких температур. Москва.Транс-порт, 1993. - 14с.
4. Микулин Ю.В. Пуск холодных двигателей при низкой температуре. Москва. Машиностроение, 1971.-215 с.
5. Шпехт Э.К. Повышение эффективности силовых установок колесных и гусеничных машин. Тезисы межвузовской научно-технической конференции. Челябинск. ЧВВАИУ. с. 52-54.
