Принцип поворота колесных машин

Одна из самых важных систем ТС с точки зрения безопасности движения — система рулевого управления, обеспечивающая его движение (поворот) в заданном направлении.

В зависимости от конструктивных особенностей колесных машин различают три способа поворота:

• при помощи поворота управляемых колес одной, нескольких или всех осей
• созданием разности скоростей неуправляемых колес правого и левого бортов машин (поворот «погусеничному»)
• взаимным принудительным поворотом звеньев щарнирно-сочлененного ТС

Много- или двухзвенные колесные ТС (автопоезда), состоящие из колесного тягача, прицепа (прицепов) или полуприцепа (полуприцепов), осуществляют поворот при помощи управляемых колес только тягача или тягача и прицепного (полуприцепного) звена.

Поворот машины при помощи поворота управляемых колес одной, нескольких или всех осей

Наиболее широкое распространение получили схемы колесных машин с поворотными (управляемыми) колесами.

При увеличении числа пар управляемых колес уменьшается минимально возможный радиус поворота машины, т.е, улучшаются маневренные качества ТС. Однако стремление улучшить маневренность за счет применения передних и задних управляемых колес существенно усложняет конструкцию привода управления ими. Максимальный угол повороту управляемых колес обычно не превышает 35 …40°.

Рис. Схемы поворота двух-, трех- и четырехосных колесных машин с управляемыми колесами:
а, б — передними; в — передними и задними; е, ж — первой и второй осей; з — всех осей

Рис. Схемы поворота колесной машины с неуправляемыми колесами:
а — с большим радиусом поворота; б — с нулевым радиусом; О — центр поворота; V1, V2 — скорости движения отстающего и забегающего бортов машины

Поворотом управляемых колес ТС водитель заставляет его передвигаться по траектории заданной кривизны в соответствии с углами поворота колес. Чем больше угол их поворота относительно продольной оси машины, тем меньше радиус поворота ТС.

Поворот ТС «по-гусеничному» принципу

Схема поворота «по-гусеничному» принципу используется сравнительно редко и в основном на специальных ТС. Примером может служить колесный тягач с неповоротными колесами и трансмиссией, обеспечивающей поворот тягача практически вокруг его геометрического центра. Такую же схему поворота имеет отечественный луноход, имеющий электромотор-колеса с формулой 8×8. Поворот подобных ТС осуществляется при неодинаковой скорости колес разных бортов машины. Такое управление поворотом наиболее просто обеспечить прекращением подачи вращающего момента на отстающий при повороте борт машины, скорость колес которого уменьшается вследствие их подтормаживания. Чем больше разность скоростей забегающего V2, т.е. внешнего по отношению к центру поворота (точка О), и отстающего V1 (внутреннего по отношению к центру поворота) бортов машины, тем меньше радиус ее криволинейного движения. В идеальном случае, если скорости всех колес обоих бортов будут равны, но направлены в противоположные стороны (V2 = -V1), мы получим нулевой радиус поворота, т. е. машина будет поворачиваться вокруг своего геометрического центра.

Основными недостатками ТС с неуправляемыми колесами являются повышенный расход мощности на совершение поворота и больший износ шин по сравнению с автомобилями, имеющими управляемые колеса.

Шарнирносочлененные схемы поворота ТС для инженерных тягачей

Инжирные тягачи обладают хорошей маневренностью (минимальный радиус поворота у них меньше, чем у обычных автомобилей с такой же базой и лучшей приспособляемостью к неровностям дороги (из-за наличия шарниров в сцепном устройстве тягача и прицепного звена), а также обеспечивают возможность использования колес большого диаметра, что улучшает проходимость этих ТС.

Конструкция дифференциала автомобиля

Дифференциал — это передаточный механизм, который распределяет приложенный к нему крутящий момент между осями трансмиссии и позволяет колесам вращаться с разными угловыми скоростями. Особенно это заметно при повороте автомобиля. Дифференциал обеспечивает надежную и комфортную езду по дорогам с твердым покрытием. Но если машина выезжает за ее пределы и продолжает движение по пересеченной местности, а также в случае гололеда этот механизм может лишить автомобиль возможности двигаться.

Возникновение дифференциала в автомобилях

Дифференциал в автомобиле — это механизм, который распределяет крутящий момент карданного вала трансмиссии между ведущими колесами передней или задней оси, позволяя каждому из них вращаться без пробуксовки. Это основная цель дифференциала.

При прямолинейном движении, когда колеса одинаково нагружены и имеют одинаковую угловую скорость вращения, механизм действует как звено передачи. При повороте или пробуксовки нагрузка становится неравномерной. В этом случае необходимо, чтобы полуоси вращались с разными скоростями и как следствие, возникает необходимость распределять полученный крутящий момент между ними в определенной пропорции. Таким образом узел выполняет вторую основную функцию: обеспечение надежного маневрирования транспортного средства.

Схема дифференциала зависит от типа тяги автомобиля:

• Передний привод — коробка передач.
• Задний привод — корпус ведущего моста.
• Полный привод — корпуса переднего и заднего моста (для передачи крутящего момента на ведущие колеса) или раздаточная коробка (для передачи крутящего момента на ведущие оси).

Дифференциал в машинах появился не сразу. Конструкторы первых «самоходных лафетов» были очень заинтригованы малой маневренностью их изобретений. Вращение колес с одинаковой угловой скоростью при прохождении кривой приводило к тому, что одно из них начинало буксовать или, наоборот, полностью теряло контакт с дорогой. Инженеры вспомнили, что первые прототипы машин, приводимых в движение паровыми двигателями, имели устройство, предотвращающее потерю управляемости.

Механизм распределения крутящего момента был изобретен французом Онесифором Пеккёром. Устройство Пеккёра содержало валы и шестерни. Через них на ведущие колеса подавался крутящий момент двигателя. Но даже после применения изобретения Пеккёра проблема проскальзывания колес на поворотах не была полностью решена. Выявились недостатки системы. Например, одно из колес в какой-то момент потеряло сцепление с дорогой. Наиболее ярко это проявилось в обледенелых районах.

Скольжение в таких условиях раньше приводило к авариям, поэтому конструкторы долго думали, как предотвратить занос автомобилей. Решение было найдено Фердинандом Порше. Он стал изобретателем кулачкового механизма, ограничивающего пробуксовку колес на ведущем мосте. Немецкий дифференциал нашел применение в автомобилях Volkswagen.

Как устроен дифференциал

Агрегат работает как планетарный редуктор. Кузов передает вращение через сателлиты на полуоси, которые вращают ведущие колеса. За счет работы сателлитов возможны разные угловые скорости. Значение крутящего момента остается неизменным.

Использование дифференциалов

Устройства используются для передачи крутящего момента на ведущие колеса и ведущие оси автомобиля.

Грузовые и легковые автомобили, независимо от типа привода, имеют межколесный дифференциал, передающий вращение колесам. Межосевой дифференциал, распределяющий крутящий момент между осями, используется только в автомобилях с полным приводом.

По типу используемой передачи различают следующие типы механизмов:

По количеству зубьев шестерен полуосей:

На автомобилях с полным приводом устанавливается несимметричный дифференциал с цилиндрической передачей, так как именно этот вид дифференциала имеет способность пропорционально распределять крутящий момент между осями.

Автомобили с задним и передним приводом оснащены коническим симметричным дифференциалом.

Червячная передача, являясь наиболее универсальной, используется во всех типах устройств со всеми приводами.

Как работает дифференциал

Рассмотрим принцип, по которому работает симметричный межколесный конический дифференциал, который распределяет крутящий момент между колесами в трех различных условиях:

• прямолинейное движение;
• поворот;
• пробуксовка.

Прямолинейное движение

Прямолинейное движение характеризуется равномерным распределением нагрузки между колесами транспортного средства. У них одинаковая угловая скорость. Помещенные в корпусе сателлиты не вращаются вокруг своей оси. Они передают крутящий момент от ведущей шестерни главной передачи на полуосям с помощью неподвижное зубчатое зацепление.

Поворот

Во время поворота транспортного средства силы сопротивления и нагрузки распределяются следующим образом:

• Внутреннее колесо, имеющее меньший радиус от центра поворота, испытывает большее сопротивление, чем внешнее колесо. Увеличение нагрузки приводит к ее замедлению.
• Внешнее колесо, движущееся по большему радиусу (больший путь), наоборот, должно увеличивать угловую скорость, чтобы автомобиль поворачивался плавно, без пробуксовки.

Следовательно, колеса должны иметь разную угловую скорость. Замедление вращения полуоси внутреннего колеса приводит в движение сателлиты. Они, в свою очередь, с помощью конической передачи увеличивают скорость вращения внешней оси колеса. Крутящий момент, полученный от главной передачи, остается неизменным.

Пробуксовка

Колеса автомобиля, движущегося по прямой по скользкой дороге или бездорожью, могут нести разные нагрузки: одно из них скользит, теряя сцепление с дорогой; другое, становясь более нагруженным, тормозит. Схема поворота повторяется. Только вот сейчас она мешает: скользящее колесо может принимать 100% крутящего момента, получаемого дифференциалом, а нагруженное колесо вообще перестает вращаться. Движение автомобиля прекратится.

Эти недостатки работы узла устраняются разными методами:

• ручной или автоматической блокировкой;
• внедрением системы курсовой устойчивости.

Система курсовой устойчивости, блокировка дифференциала

Чтобы крутящий момент полуосей снова был одинаковый, необходимо заблокировать действие сателлитов или гарантировать его передачу от чашки к нагруженной полуоси.

Особенно это актуально для внедорожников 4х4. Не только потому, что они созданы для пересеченной местности. Автомобиль, оборудованный тремя дифференциалами (два межколесных, один межосевой), потерять сцепление по крайней мере в одной из четырех точек — значение крутящего момента остальных колес достигнет нуля, и автомобиль остановится.

Предотвращению проблем способствует блокировка, которая может быть частичной или полной (в зависимости от степени перераспределения сил между осями), либо ручной или автоматической (в зависимости от степени управляемости водителя).

Отлично проявили себя самоблокирующиеся дифференциалы, распределяющие крутящий момент с учетом его разницы в осях или исходя из значений угловых скоростей.

Самым сложным идеальным методом устранения недостатков агрегата является электронная блокировка, реализованный на базе системы курсовой устойчивости, датчики которой контролируют все необходимые параметры во время движения автомобиля. На основании полученных данных производится механическая коррекция работы автомобиля.

Итоги

Дифференциал был призван обеспечить надежное и комфортное маневрирование на трассе. Описанные выше недостатки связаны с ездой в экстремальных условиях и по пересеченной местности. Исходя из этого, если на автомобиле установлен привод ручной блокировки, его следует использовать только в подходящих дорожных условиях. А дорожные автомобили, которые сложно «уговорить» ехать медленнее 100 км / ч, использовать без дифференциала, в общем, нереально, а также опасно. Это простой, но бесконечно важный механизм передачи.

Все о дифференциалах: крутящий момент истины

PRIVOD

Мы перестали спорить в курилках на технические темы. А жаль. Какой нормальный мужик откажется побазарить о том, как распределяется по колесам крутящий момент мотора? Или хотя бы постоять рядом, храня молчанье в важном споре. Не сериалы же нам обсуждать!

Про мощности и скорости спорить неинтересно, а вот момент — дело другое! Разброд мнений здесь гарантирован. По секрету скажем, что даже «доценты с кандидатами» сгоряча давали противоположные ответы на простые, казалось бы, вопросы. В итоге истину удалось постичь только после длительной дискуссии с представителями заводов ГАЗ и УАЗ и нескольких профильных вузов, а также в результате консультаций с зарубежными коллегами.

Предлагаем всем желающим попытаться найти правильные ответы в предложенных нами ситуациях. А предварительно перечислим условия, которые следует учитывать при выборе правильного варианта.

Во всех ситуациях условно считаем, что трение и прочие потери отсутствуют как класс. Нагрузки на колеса — одинаковые. Продольная и поперечная развесовки — равномерные. Условия сцепления шин с покрытием — одинаковые, если иное не оговорено. Все дифференциалы — симметричного типа. Момент, передаваемый двигателем на конкретный дифференциал, условно принимаем за 100%.

2-uslovn-Zalacha-diff-CP-222

ВОПРОС № 1

2-1-Zalacha-diff-CP

Автомобиль сел на брюхо и беспомощно крутит ведущими колесами в воздухе. Чему при этом приблизительно равен момент на маховике двигателя?

Б — зависит от оборотов

В — заявленной паспортной величине

Г — зависит от включенной передачи

Правильный ответ: А

Тем, кому непонятен ответ, поясняем: момента без сопротивления не бывает! Представьте себе электрическую розетку, рядом с которой стоит неподключенный утюг. Напряжение в розетке есть, но отдаваемый ток — нулевой. Так и здесь: двигатель не совершает никакой полезной работы, колеса не встречают сопротивления, а потому и момент отсутствует.

* Если это понятно, то даем задание более сложное — уже с участием дифференциала. Тем, кто подзабыл, что это такое, рекомендуем заглянуть в подсказку ниже.

C чем его едят

1-2-Zalacha-diff-CP

Дифференциал (от лат. differentia — разность, различие) — механизм, обеспечивающий вращение ведущих колес с разными скоростями (например, в повороте). Реальные условия движения автомобиля обусловливают разницу в угловых скоростях его колес. Почему? Потому, что они проходят пути разной длины (в повороте или по неровностям) и радиусы качения также различны. Поэтому ведущие колеса работают с участием межколесных и межосевых дифференциалов — чтобы не возникал так называемый паразитный (тормозящий) крутящий момент на одном из колес, как это бывает на поворотной оси телеги с цельной осью. Дифференциал, распределяющий крутящий момент между выходными валами поровну, называют симметричным.

ВОПРОС № 2

Автомобиль ВАЗ‑2107 едет по кругу на четвертой передаче. Как приблизительно распределены моменты на его задних колесах?

2-2-Zalacha-diff-CP

Б — обратно пропорционально частоте вращения каждого из колес

В — в зависимости от силы сцепления с дорогой и от нагрузок

Г — прямо пропорционально частоте вращения каждого из колес

Правильный ответ: А

Моменты распределены поровну: по-другому симметричный дифференциал просто не умеет себя вести. Напоминаем, что трение и прочие потери мы условились не учитывать

*Если и это понятно, то усложняем вопросы.

ВОПРОС № 3

У ВАЗ‑2107 при включенной передаче одно ведущее колесо вывешено в воздухе. Как приблизительно распределены моменты на задних колесах, если принять момент, поступающий от двигателя, за 100%?

2-3-Zalacha-diff-CP

А — 100% на вращающемся колесе и 0% на неподвижном

Б — на обоих колесах момент равен нулю

В — в зависимости от сцепления неподвижного колеса с дорогой

Г — пропорционально оборотам двигателя

Правильный ответ: Б

Почему нулю, если колесо крутится? Дело в том, что полезной работы двигатель не совершает. Висящее колесо не испытывает сопротивления, а потому и момент на нем нулевой. На неподвижном колесе, само собой, момент также равен нулю.

*Теперь переходим к полноприводным автомобилям: здесь к межколесным дифференциалам добавлен межосевой.

ВОПРОС № 4

Chevrolet Niva едет по кругу на четвертой передаче. Включена блокировка межосевого дифференциала. Каково приблизительное соотношение моментов на всех колесах, если принять момент, поступающий от двигателя, за 100%?

2-4-Zalacha-diff-CP

А — по 25% на каждом

Б — по 50% на каждом

В — пропорционально оборотам двигателя

Г — на колесах каждой оси моменты делятся поровну, а распределение по осям — в зависимости от нагрузок и сил сцепления

Правильный ответ: Г

Межколесные дифференциалы на каждой из осей делят моменты поровну, как и в предыдущих примерах. Если бы межосевой дифференциал оставался свободным, каждому колесу досталось бы по 25% крутящего момента. Но водитель его заблокировал, а потому распределение между осями стало зависеть от конкретной дорожной ситуации. В пределе (колеса одной из осей стоят на сухом асфальте, а колеса другой — на гладком льду) практически весь момент реализуется на асфальте.

*А теперь предположим, что мы немножко застряли.

ВОПРОС № 5

У вседорожника Chevrolet Niva при включенной передаче одно ведущее колесо вывешено в воздухе. Водитель заблокировал межосевой дифференциал. Как приблизительно распределены моменты на всех четырех колесах?

2-5-Zalacha-diff-CP

А — на вывешенном колесе 0%, на втором колесе той же оси 0%; на другой оси моменты на каждом из колес равны половине момента, поступающего на ее дифференциал от двигателя

Б — на вывешенном колесе 0%, на остальных — по 33,3% момента, поступающего от двигателя

В — на всех колесах по 25% момента, поступающего от двигателя

Г — в зависимости от нагрузок и сил сцепления

Правильный ответ: А

Висящее в воздухе колесо не работает — следовательно, момент на нем нулевой. То же относится к другому колесу на этой оси: незаблокированный межколесный дифференциал обеспечил равенство. А вот другая ось работает в штатном режиме. И ненулевые моменты на ее колесах при свободном межколесном дифференциале равны между собой.

*Теперь попробуем заблокировать межколесный дифференциал!

ВОПРОС № 6

Полноприводный вседорожник едет по кругу на четвертой передаче. Включена блокировка заднего дифференциала. Межосевой дифференциал не заблокирован. Каково приблизительное соотношение моментов на колесах?

2-6-Zalacha-diff-CP

А — на каждом по 25% момента, поступающего к межосевому дифференциалу от двигателя

Б — на каждом по 50% момента, поступающего от двигателя

В — зависит от оборотов мотора

Г — на передних колесах по 25%. Остальные 50% распределяются между задними колесами пропорционально нагрузке на них и силам сцепления.

Правильный ответ: Г

Благодаря работающему межосевому дифференциалу задний мост получает столько же ньютон-метров, сколько и передний. Но реальное соотношение моментов на его колесах уже зависит от конкретной дорожной ситуации, поскольку блокированный межколесный дифференциал ничего не выравнивает. Если одно из колес зависнет в воздухе, то всё достанется второму колесу, а если сцепление одинаковое, то и дележ будет равным. Поэтому соотношение моментов определяется нагрузками и силами сцепления. ;

*Попытаемся застрять еще раз.

ВОПРОС № 7

У полноприводного вседорожника при включенной передаче одно заднее колесо вывешено в воздухе. Включена блокировка заднего дифференциала. Межосевой дифференциал не заблокирован. Каково примерное соотношение моментов на колесах, если условно принять момент, поступающий от двигателя, за 100%?

2-7-Zalacha-diff-CP

А — 100% на колесе, касающемся земли, 0% на вывешенном и по 25% на передних колесах

Г — 50% на колесе, касающемся земли, 0% на вывешенном и по 25% на передних колесах

Правильный ответ: Г

Межосевой дифференциал поделил моменты между осями поровну. Висящее колесо не испытывает сопротивления, а потому его момент равен нулю. За него отдувается другое колесо на этой оси, толкающее машину, — и весь передающийся назад крутящий момент (50% общего) достается именно второму колесу.

*Напоследок напомним основные принципы, которые помогут разобраться в моментах, осях и дифференциалах.

• Там, где нет сопротивления, момент всегда равен нулю.
• Заблокированный межколесный дифференциал фактически превращает ось автомобиля в аналог колесной пары железнодорожного вагона. Но даже при этом момент на вывешенном колесе равен нулю.
• На вывешенном колесе момент равен нулю независимо от того, блокирован дифференциал или нет.
• Симметричный дифференциал всегда выравнивает моменты: межосевой — на осях, межколесный — на колесах.

Всем удачи на дорогах — без зависших колес и нулевых моментов!

Как работает дифференциал

Дифференциал состоит из корпуса (1), шестерен-сателлитов (2) и полуосевых шестерен (3). Корпус обычно совмещен с ведомой шестерней главной передачи (4). Шестерни-сателлиты играют роль планетарного механизма и соединяют полуосевые шестерни с корпусом дифференциала. Полуосевые (солнечные) шестерни соединены с ведущими колесами через полуоси.

Ведомая шестерня главной передачи вращает корпус с сателлитами, который в свою очередь вращает шестерни полуосей. Когда автомобиль движется идеально прямо, сателлиты неподвижны относительно своих осей. Но как только движение становится неравномерным (например, при повороте), сателлиты начинают собственные фуэте, ускоряя одну полуось и замедляя другую.

Если сцепление колес с покрытием разное, то крутящий момент, реализуемый на скользком покрытии, ограничен коэффициентом сцепления шины с дорогой. Чем меньше сопротивление, тем ниже момент на этом колесе. Но таким же становится момент и на другом колесе той же оси. А вот если заблокировать дифференциал, то дележка моментов между колесами происходит в соответствии с силами их сопротивлений (или сцеплений) с дорогой.

В так называемых дифференциалах повышенного трения сателлиты изначально лишены возможности вращаться свободно. Это сделано как раз для того, чтобы при вывешивании или проскальзывании одного колеса машина беспомощно не застревала. Если с обычным дифференциалом в таких случаях моменты на колесах падают до нуля, то его «коллега» с повышенным трением оставляет им запас, равный заложенному в него моменту трения! Получается эдакий облегченный вариант полной блокировки, помогающий выбраться из неприятных ситуаций, если это позволяет сила трения на колесе с лучшим сцеплением.