Управляемые ведущие мосты

Стремление использовать весь вес автомобиля в качестве сцепного веса привело к тому, что на автомобилях высокой проходимости стали делать ведущими и передние колеса. Нередко управляемыми выполняют не только передние, но и задние ведущие мосты, а на некоторых четырехосных автомобилях высокой проходимости — даже все мосты.

Конструкция переднего управляемого ведущего моста первоначально была разработана применительно к легковому автомобилю.

Автомобиль с передним управляемым ведущим мостом не имел карданного вала, вследствие чего был понижен уровень пола и центр тяжести автомобиля и соответственно повышена комфортабельность автомобиля. Основной недостаток привода только на пе-редйие колеса состоял в снижении максимальной силы тяги по сцеплению при движении автомобиля на подъем на низших передачах и в повышении износа его при длительной эксплуатации.

В автомобилях высокой проходимости передний ведущий мост устанавливался дополнительно к заднему для эпизодической работы с целью повышения проходимости на труднопроходимых участках пути. Вспомогательное назначение переднего моста на автомобилях высокой проходимости с приводом на управляемые колеса и эпизодичность его применения привели к серьезнейшим улучшениям конструкции моста, к большей надежности в работе.

Сейчас все больше расширяется производство автомобилей с несколькими ведущими осями.

При применении привода на все колеса следует разрешить две основные проблемы: распределение крутящего момента двигателя между ведущими мостами и колесами и создание управляемого ведущего моста. Управляемый ведущий мост отличается от неуправляемого ведущего моста наличием поворотных устройств, при помощи которых обеспечивается не только управление автомобилем, но и передача привода на управляемые колеса. Кардан, расположенный в поворотной цапфе, работает при переменном угле поворота, достигающем 35—40°. При максимальном угле поворота обычный кардан обусловил бы неравномерное вращение управляемого колеса. Чтобы избежать это, в приводе управляемых ведущих колес применяют специальные карданы равных угловых скоростей типа «Бендикс-Вейс», «Рцеппа», ЯАЗ, «Тракта», сдвоенные открытые карданы и др.


Принципиальное и конструктивное различие между разными карданами равных угловых скоростей состоит в способе выравнивания скорости и установки в поворотном устройстве. Различают шариковые карданы с делительными канавками («Бендикс-Вейс»), шариковые карданы с делительными рычажками («Рцеппа»), сдвоенные кулачковые карданы («Тракта», ЯАЗ) и сдвоенные карданы открытого типа.

При установке сдвоенных карданов открытого типа поворотное устройство переднего колеса не герметизируется, как это бывает при установке карданов других типов.

В табл. 15 приведены технические данные карданов равных угловых скоростей типа «Бендикс-Вейс». Преимущество указанных карданов состоит в относительной простоте устройства и изготовления. Карданы такого типа применяются на ряде отечественных многоприводных автомобилей.



Недостаток кардана «Бендикс-Вейс» состоит в недостаточной жесткости, прочности и сравнительно быстром износе, а также в малом угле поворота.

Вилки кардана при передаче больших крутящих моментов получают большие деформации и иногда разрушаются. Передача вращающего момента только через два шарика вызывает возникновение высоких контактных напряжений, вследствие чего возникают повышенные износы и, как следствие этого, нарушение правильности работы.


Шариковый кардан равных угловых скоростей «Рцеппа» (фиг. 83) передает крутящий момент шестью стальными шариками.



Сферический корпус 1 кардана, сделанный заодно с ведомым валом, через обойму (сепаратор) 2 соединяется шестью стальными шариками 3 со звездочкой 4, посаженной на конец полуоси 5. Стальные шарики расположены в канавках, прорезанных на внутренней поверхности корпуса 1 и на наружной поверхности звездочки 4. Канавки для шариков лежат в плоскостях, проходящих через ось 5. При повороте колеса они не определяют положения плоскости сечения сферы, в которой будут лежать центры шариков. Шарики при повороте колес устанавливаются в нужное положение с помощью обоймы 2 с вырезами для шести шариков. К обойме прилегает сферическая направляющая 6 с отверстием в центре для делительного рычажка 7. Рычажок 7 имеет скользящую опору в корпусе 1 и пружиной прижимается к гнезду в полуоси 5, т. е. он одновременно связан с ведущим и ведомыми валами. Поворот одного вала по отношению к другому вызывает угловое перемещение делительного рычажка 7, а вместе с ним сферической направляющей 6 и обоймы 2 с шариками вокруг общего центра сфер. Соответственно этому шарики займут определенное положение к повернутым валам.


Соотношение плеч делительного рычажка и расстояний его опор от центра сферы выбрано таким, что угловое перемещение обоймы равно половине углового перемещения одного вала относительно другого. Другими словами, плоскость сечения, в которой расположены шарики, всегда делит угол между валами пополам, в результате чего достигается равномерное вращение обоих валов. На фиг. 84 указан порядок сборки кардана «Рцеппа».



В табл. 16 приведены технические данные карданов «Рцеппа». Карданы «Рцеппа» допускают рабочий угол поворота до 37°. Для работы с углом поворота до 15° выпускаются полукарданы «Рцеппа» (табл. 17).





Двойной кардан открытого типа показан на фиг. 85. Ведущий вал 1 через цапфу 10 приводит во вращение крестовину 2, которая через игольчатые подшипники 3 передает вращение корпусу 7 крестовине 5, откуда в свою очередь вращение передается ведомому валу 5. Бугель 9 крепится болтами 8, законтренными шайбами. Смазывают игольчатые подшипники через отверстия 4. Двойной кардан такого типа обеспечивает равенство угловых скоростей при углах наклона до 40°.




В табл. 18 приведены технические данные двойных карданов равных угловых скоростей фирмы «Геленквелленбау».



Большой угол поворота, допускаемый сдвоенным карданом в приводе управляемых колес, существенным образом способствует достижению высокой манёвренности при повороте. Для этого кардана не требуется особых уплотнений поворотных устройств привода управляемых колес, что упрощает конструкцию поворотного устройства и повышает ее надежность. Недостаток двойного кардана открытого типа — большие установочные размеры по длине, вследствие чего затрудняется проектирование рулевого управления ввиду значительного смещения оси управляемого колеса от центра поворота. Недостаточна также надежность игольчатого подшипника при высоких нагрузках.

К числу двойных карданов, обеспечивающих передачу вращения с постоянной угловой скоростью, относится кардан автомобиля, выпускаемого Ярославским автозаводом (фиг. 86). Этот кардан состоит из двух вилок 3 и 4, в которые вставлены оси 2. В прорези осей закреплен ведущий диск 1. Все детали, находящиеся в соединении, способны совершать относительные движения. В отличие от описанных выше карданов в рассматриваемом кардане скольжение между находящимися в относительном движении деталями происходит по плоским и цилиндрическим поверхностям. Кардан пригоден для передачи больших крутящих моментов, однако требует надежной смазки и хороших уплотнений. Рабочие углы поворота в карданных механизмах ЯАЗ значительны.



В Англии выпускают сдвоенный кардан «Тракта». Он состоит из двух вилок и двух промежуточных деталей. Относительное перемещение деталей в нем происходит по плоским поверхностям. Кардан этого типа пригоден для работы при больших углах поворота управляемых колес. Преимущество его конструкции заключается в больших размерах трущихся поверхностей, что обусловливает незначительный их износ.

Описанные выше карданы позволили разработать надежные конструкции передних управляемых ведущих мостов. Среди них необходимо отметить, в первую очередь, компактные и простые ведущие мосты с карданом равных угловых скоростей «Бендикс-Вейс». Конструкция передних ведущих мостов такого типа применяется на автомобилях низкой и средней грузоподъемности. К ним относятся передние ведущие мосты с одноступенчатыми главными передачами автомобилей ГАЗ-69 и ГАЗ-63, показанные на фиг. 87 и 88. Аналогична конструкция переднего ведущего моста на автомобилях ЗИЛ-151. На переднем ведущем мосту автомобилей ГАЗ-63, ЗИЛ-151 и ряде других нет угла наклона шкворня. Отсутствие бокового наклона шкворня вызвано не кинематическими ограничениями карданов, а способом соединения поперечной рулевой тяги трапеции с рычагами поворота управляемых колес. Обычно поперечная тяга трапеции обходит картер главной передачи с выгибом или без выгиба в средней части. Если тяга имеет выгиб в горизонтальной плоскости, то с поворотными рычагами колес она должна соединяться через вилку и ось. Изгиб поперечной тяги обусловливает ее закрепление в вилках при параллельном положении обеих осей, вследствие чего нельзя допустить бокового наклона шкворня, что и сделано в конструкции переднего моста автомобилей ГАЗ-63, ЗИЛ-151 и многих других автомобилей.





Однако закрепление поперечной тяги вилками не препятствует наклону шкворня в продольной плоскости. Прямолинейная поперечная тяга трапеции соединяется с поворотными рычагами управляемых колес при помощи шаровых пальцев, допускающих поворот колеса при пространственном расположении шкворня. Наличие бокового наклона шкворня до 7° облегчает поворот, так как расстояние от точки пересечения оси шкворня с плоскостью дороги до середины шины уменьшается. Следует принять во внимание, что кардан в поворотном устройстве конструктивно вызывает необходимость увеличения этого расстояния. Чем оно меньше, тем меньше напряженность в рулевом механизме и меньше сила на рулевом колесе.

При использовании шин низкого давления, которые сейчас так широко применяются на автомобилях высокой проходимости, выгоднее иметь точку пересечения оси шкворня с поверхностью дороги на некотором расстоянии от середины колеса, а не точно посередине. В последнем случае затрудняется вращение рулевого колеса при неподвижном автомобиле, так как создается чистое скольжение между колесами и дорогой, особенно значительное при большой поверхности соприкосновения. При наличии плеч происходит качение и скольжение шины, что облегчает условия поворота.

В настоящее время на автомобилях высокой проходимости часто применяют усилители рулевого управления, которые при работающем двигателе существенно облегчают поворот автомобиля. Слишком сильный боковой наклон шкворня нежелателен, так как колесо наилучшим образом воспринимает вертикальные нагрузки, когда его плоскость вращения перпендикулярна опорной плоскости. Эта перпендикулярность нарушается при повороте колеса вокруг наклоненного шкворня.

Наклон шкворня на 3—5° для автомобилей высокой проходимости задается с целью достижения стабилизации управляемых колес. Вследствие наклона шкворня колесо, выведенное из положения прямолинейного движения, под действием центробежной силы автомобиля автоматически стремится вернуться в исходное положение, так как точка касания колеса с грунтом расположена позади точки пересечения оси шкворня с плоскостью пути.

Во всех конструкциях передних ведущих мостов подшипники колес приходится устанавливать так, что средняя плоскость колеса проходит ближе к внутреннему подшипнику, нередко проходит по нему и даже за его пределами. Это вызвано необходимостью разместить ведущее колесо возможно ближе к шкворню для уменьшения плеча действия сил и снижения напряжения в поворотных цапфах и рулевом механизме. Сейчас в поворотных цапфах устанавливают в большинстве случаев конические роликовые, подшипники с увеличенным углом конуса. Наряду с этим применяют цилиндрические роликовые подшипники совместно с шариковыми упорными подшипниками.

На фиг. 89 показана конструкция переднего ведущего моста с одноступенчатой главной передачей и карданами «Тракта». Поперечная тяга трапеции, закрепленная на шаровых пальцах, позволила выполнить большой боковой наклон поворотного шкворня. Применение открытых карданов «Тракта» вызвало необходимость в герметизации поворотного устройства. Характерной особенностью конструкции переднего ведущего моста является его разъемный обод, при котором шины могут работать при весьма низком давлении.



На фиг. 90 показана конструкция переднего ведущего колеса ЯАЗ, установленного на ряде автомобилей и экскаваторе. В поворотном устройстве применен кардан равных угловых скоростей вращения. Главная передача переднего ведущего моста двухступенчатая. Поперечная тяга трапеции закреплена на шаровых пальцах. Боковой наклон шкворня равен 5°. Шкворень установлен на цилиндрических роликовых подшипниках и шариковом упорном подшипнике. Обод колеса разборный. Шины многослойные, низкого давления. Высокий осевой вес передних колес при отсутствии в силовом приводе межосевого дифференциала вызывает значительную перегрузку карданов равных угловых скоростей.



Верхнее расположение конической пары шестерен двухступенчатой главной передачи вызывает затруднения в компоновке автомобиля. Размещение поддона двигателя над картером главной передачи приводит к большой высоте капота, что уменьшает обзорность пути. Расположение всех валов главной передачи в одной горизонтальной плоскости не устраняет полностью вышеупомянутого затруднения и к тому же вызывает сокращение длины переднего карданного вала, что препятствует уменьшению базы автомобиля.

Затруднения в компоновке передней части автомобиля возрастают в прямой зависимости от величины осевого веса передних колес, так как при этом размеры картера главной передачи и поддона двигателя также увеличиваются. Кроме того, на автомобилях большой грузоподъемности со сдвоенными задними колесами и с дифференциальным приводом может быть применена главная передача переднего моста, рассчитанная на меньший крутящий момент, чем крутящий момент главной передачи заднего моста, имеющего высокий осевой вес. В связи с этим двухступенчатую главную передачу переднего ведущего моста нередко расчленяют на одноступенчатую коническую главную передачу и редукторы колес. Редукторы колес выполняют с цилиндрическими и коническими шестернями. Применение нецентральных колесных редукторов устраняет многие затруднения, так как при этом уменьшается нагрузка карданных механизмов привода передних колес, повышается просвет и уменьшается высота капота.

При центральном редукторе обеспечивается только достижение больших передаточных отношений главной передачи и снижение высоты капота.

На фиг. 91 показан передний ведущий мост с бортовым редуктором автомобиля «Мерседес-Бенц». Бортовой редуктор выполнен в виде пары цилиндрических шестерен, расположенных перед поворотным устройством. Характерным является то, что балка переднего моста сохранена, как обычно у автомобиля с одной ведущей осью, а главная передача с полуосями и бортовые редукторы прикреплены к ней. Такое конструктивное решение не предохраняет карданы поворотного устройства от перегрузки, и поэтому применение бортовых редукторов полностью не достигает цели. В поворотном устройстве применен двойной кардан равных угловых скоростей открытого типа. Такого же типа кардан применен на чехословацком трехосном автомобиле типа 6\6 «Татра-III» без бортового редуктора.



На американском опытном автомобиле Т-23 типа 4\4 при наличии колесного редуктора также сохранена балка переднего моста, а главная передача поднята над балкой с целью увеличения просвета. Нецентральный редуктор колес состоит из пары цилиндрических шестерен, но ведомая шестерня выполнена заодно со ступицей колеса. Колесный редуктор, расположенный за карданом, в значительной степени разгружает последний. В этом отношении конструкция переднего моста автомобиля Т-23 более рациональна, чем «Мерседес-Бенц».

На фиг. 92 показан передний ведущий мост с центральным колесным редуктором. Кардан равных угловых скоростей типа «Бендикс-Вейс» установлен на подшипниках трения скольжения. Обод колеса разъемный, с разжимным кольцом, что позволило применить шины весьма низкого давления.



На фиг. 93 показан привод переднего ведущего колеса автомобиля «Магирус-Дейтц», выполненный с центральным редуктором колес, отличающимся от описанного выше только типами подшипников. В поворотном устройстве применен двойной кардан равных угловых скоростей, установленный на подшипниках качения. Колёсный редуктор пригоден для применения на трехосных автомобилях типа 6X6 и двухосных типа 4X4 автомобилях большой грузоподъемности.



По всей вероятности, учитывая перспективность конструктивной схемы такого колесного редуктора, английская фирма «Киркстолл» уже в 1955 г. взяла патент на колесный редуктор такого типа, отличие которого состоит в том, что подшипники его ступицы разнесены, т. е. колесный редуктор помещен между подшипниками. Это создает благоприятные условия для работы ведомой шестерни внутреннего зацепления и уменьшает выступание колесного редуктора за ширину автомобиля по шинам. Недостатком является серьезное уменьшение прочности оси колеса вырезами для промежуточных шестерен редуктора.

Планетарные редукторы колес такого типа при одинаковых размерах шестерен дают, по сравнению с центральным колесным редуктором, передаточное число, большее на единицу, но их конструкция несколько сложнее.

На фиг. 94 показан привод ведущего управляемого колеса с независимой пружинной подвеской английского автомобиля «Даймлер». Привод колеса планетарный. Ведомым его элементом является водило, при помощи фланца прикрепленное к ступице колеса.



Применение колесного редуктора в данном случае имело целью защитить от перегрузки при независимой подвеске карданы «Тракта».

Американская фирма «Кларк» также выпускает передний ведущий мост с планетарным редуктором колес аналогичной конструкции.

Планетарный колесный редуктор применен на опытном образце строительно-дорожного тягача МАЗ-528.

Для производства передних ведущих мостов каждая страна должна наладить производство карданов равных углов скоростей.

В отдельных конструкциях привода передних ведущих колес крутящий момент передается и без карданов. На фиг. 95 показан привод к ведущему управляемому колесу трехосного автомобиля типа 6X6 фирмы «МАК». Бортовой редуктор состоит из конических шестерен и расположен в поворотной цапфе. Привод с помощью конических шестерен значительно усложняет конструкцию переднего ведущего моста и делает его невзаимозаменяемым с приводом задних колес.



Все ведущие мосты во время работы передают на раму автомобиля толкающие силы от колес. Кроме того, при передаче крутящего момента возникает реактивный момент, стремящийся повернуть ведущий мост в сторону, обратную вращению ведущих колес.

Для обеспечения передачи толкающих сил на раму автомобиля и восприятия реактивного и тормозного моментов существует ряд конструктивных решений. При неразрезных мостах и обычных листовых рессорах толкающие силы, а также реактивный и тормозной моменты воспринимаются и передаются на раму автомобиля преимущественно рессорами.

При неразрезной конструкции ведущих мостов и рессорно-балансирной подвеске на трехосных автомобилях толкающие силы и реактивные моменты передаются на раму о помощью толкающих и реактивных штанг. В ряде случаев толкающие силы передаются рессорой, а реактивный момент — штангой. Существуют конструктивные схемы, при которых толкающие силы и реактивные моменты передаются двумя парными, расположенными одна над другой, рессорами.

В связи с тем, что база тележки задних мостов мала, перераспределение осевого веса между средним и задним ведущими мостами при передаче максимального крутящего момента достигает 50%.

Способы передачи толкающих сил и реактивных моментов на раму автомобиля при разрезных мостах разнообразны и сложны в конструктивном отношении.

Однако стремление к повышению проходимости привело к серьезному усложнению силовой передачи многоосного автомобиля по сравнению с автомобилем с одной ведущей осью. Такое усложнение экономически будет оправдано только в том случае, если многоприводный автомобиль будет эксплуатироваться в таких условиях, в которых работа обычного автомобиля с одной ведущей осью становится ненадежной.