Differential (mekanik)

Den aktuella versionen av sidan har ännu inte granskats av erfarna bidragsgivare och kan skilja sig väsentligt från versionen som granskades den 31 augusti 2021; kontroller kräver 2 redigeringar .

Differential (från latin  differentia  - skillnad, skillnad) - en mekanism för att överföra kraft genom rotation, som tillåter, utan att glida och förlust av effektivitet , att lägga till två inkommande kraftflöden oberoende i deras vinkelhastigheter till en utgående effekt, för att bryta ner en inkommande effekt flöda in i två utgående, beroende av varandra i sina vinkelhastigheter, och fungerar även i den första och andra versionen växelvis. Huvudsyftet med differentialen inom teknik är överföring av transportfordon, där differentialen delar kraftflödet från motorn i två mellan hjul, axlar, band, luft- och vattenpropellrar. Annan användning av differentialer inom teknik i allmänhet och inom transportteknik i synnerhet är sekundär och sällsynt. Den mekaniska grunden för standarddifferentialen är planetväxeln, som den enda av alla rotationsväxlar som har två frihetsgrader .

Utnämning

Användningen av differentialer i fordonstransmissioner beror på behovet av att säkerställa rotationen av drivhjulen på samma axel vid olika frekvenser. Först och främst är detta nödvändigt i hörn, men också med olika diametrar på drivhjulen, vilket är möjligt med tvångsinstallation av däck av två olika storlekar eller med en skillnad i däcktryck. I händelse av att båda hjulen har en styv kinematisk koppling, leder varje avvikelse mellan rotationshastigheterna av ovanstående skäl till uppkomsten av den så kallade parasitiska kraftcirkulationen. Detta säkerligen skadliga fenomen orsakar slirning av ett hjul med lägre dragkraft i förhållande till vägytan, destabiliserar bilens rörelse i en båge, belastar transmissionen och motorn, ökar bränsleförbrukningen och visar sig ju starkare, ju mindre svängradien är. och ju högre vidhäftningskrafter som verkar på hjulen. Differentialen, installerad i sektionen av drivaxlarna på hjulen på en axel, gör att du kan bryta den stela kinematiska kopplingen mellan hjulen och eliminera den parasitiska kraftcirkulationen utan att förlora förmågan att överföra kraft till varje hjul med en effektivitet nära 100 %. En sådan differential kallas "cross-axle", och detta användningsområde är det främsta för differentialer i allmänhet, eftersom tväraxeldifferentialen finns i drivningen av drivhjulen på alla bilar, lastbilar och de allra flesta terräng- , sport- och racerbilar .

Förutom att driva drivhjulen på en bil används även differentialer:

Enhet

Grunden för varje differential kan bara vara en planetväxel , som på grund av mekaniken i dess arbete är den enda av alla roterande rörelseväxlar som kan lösa problemen med differentialen i transmissionen. Termen "planetarisk differential" är redundant - alla differentialer är planetariska som standard. Prestanda för PP som en differential beror absolut inte på vare sig dess sammansättning eller form, eller på valet av specifika länkar för ledande eller drivna. Vilken PP som helst i sin enklaste version - en trelänkad planetmekanism utan några kontrollelement - kan utföra funktionerna att sönderdela en ström till två sammankopplade eller lägga till två oberoende strömmar till en. Valet av andra PP- länkar som ledande och andra som drivna bestäms endast av den erforderliga kinematiken för differentialens länkar med andra transmissionselement och särdragen hos differentialens mekanik i det valda formatet för fördelningen av funktioner mellan länkarna. Tillägget av PP med kontrollelement och användningen av så kallade komplexa planetmekanismer ger differentialen möjligheten att ömsesidigt utjämna flödenas vinkelhastigheter och möjligheten att aktivt kontrollera dessa hastigheter.

Den kanoniska, mest välkända typen av differential är tväraxeldifferentialen för en bil, gjord på basis av en enkel (det vill säga trelänkad) rumslig planetmekanism av SHS -schemat på fyra koniska växlar. Bäraren för planetväxeln för en sådan differential är faktiskt hela dess kropp - detta är den ledande länken ➁. De två växlarna är satelliter på en gemensam axel ➂. Och de två växlarna är två solar - två drivna länkar ➃. Kraften tillförs huset (bäraren) genom ett stelt fast huvudväxeldrivet kugghjul , som i sin tur, tillsammans med drivhjulet ➀, formellt sett är ytterligare ett transmissionselement, trots att differentialen med den drivna växeln ofta ser ut som en enda monteringsenhet. Kraft tas bort från två solar, till vilka, i detta fall, axlar med CV-leder är fästa.

Plats

På fordon med en enkel drivaxel sitter differentialen på drivaxeln.

Tandemaxelfordon har två differentialer, en för varje axel.

På fordon med plug -in fyrhjulsdrift , en differential på varje axel. På sådana maskiner rekommenderas det inte att köra på vägar med tät yta och med fyrhjulsdrift påslagen.

På bilar med permanent fyrhjulsdrift finns det tre differentialer: en på varje axel (mellanhjul), plus en fördelar vridmoment mellan axlarna (mellanaxel).

Med tre eller fyra drivaxlar ( hjulformel 6 × 6 eller 8 × 8) läggs en differential mellan lastbilar till .

Problemet med ett slirande hjul

En konventionell ("gratis") differential fungerar så länge drivhjulen är oupplösligt kopplade till vägen. Men när ett av hjulen tappar dragkraft (det hamnar i luften, i lera eller på is) är det detta hjul som roterar, medan det andra, som står på fast mark, är orörligt. Om ett av hjulen tappar greppet minskar dess motstånd mot rotation och spin-up sker utan en signifikant ökning av motståndsmomentet (glidfriktionen i kontaktytan är mindre än statisk friktion och beror inte nämnvärt på slirhastigheten) . I det ögonblick då hjulet börjar slira är vridmomenten på hjulen lika med varandra, till exempel när det ena hjulet är på is och det andra på en plan torr yta (asfalt) är momentet på båda hjulen lika med den minsta, dvs. den på isen.

Med en rätlinjig rörelse av bilen roterar inte satelliterna kring sin egen axel. Men var och en, som en likaarmsspak, delar vridmomentet för det drivna kugghjulet på huvudväxeln lika mellan axelaxlarnas kugghjul. När bilen rör sig längs en krökt bana, roterar det inre hjulet med avseende på centrum av cirkeln som beskrivs av bilen långsammare, det yttre snabbare - medan satelliterna roterar runt sin axel och löper runt axelaxlarnas kugghjul. Men principen att dela momentet lika mellan hjulen bevaras. Effekten som tillförs hjulen omfördelas, eftersom den är lika med produkten av vridmomentet och hjulets vinkelhastighet. Om svängradien är så liten att det inre hjulet stannar, roterar det yttre hjulet dubbelt så mycket som en bil som rör sig i en rak linje.

Differentialen ändrar inte vridmomentet utan omfördelar kraften mellan hjulen. Det senare är alltid större på hjulet som snurrar snabbare.

Historia om sätt att lösa problemet med ett glidande hjul

Självlåsande differential

Termen hänvisar till vilken differential som helst, vars mekanik gör det möjligt för den att blockera på egen hand - det vill säga att utjämna vinkelhastigheterna för de drivna växlarna och förvandlas till en direkt transmission. Självlåsande differentialer kräver inga externa styrsystem och fungerar självständigt. I bilar kan både interwheel och interaxle användas. Används inte i bandvagnar. Konventionellt kan alla sådana differentialer delas in i två grupper: de som utlöses av vridmoment och som utlöses av skillnaden i vinkelhastigheter på de drivna växlarna. I den första gruppen ingår differentialer med skruv-, snäck- och skivlås. I den andra - differentialer med viskös koppling , differentialer med en gerotorpump, differentialer med en centrifugalautomatisk omkopplare (Eaton G80), differentialer med frigående kopplingar (Ferguson). Konstruktioner som kamdifferentialer och Krasikov / Nesterov-differentialer, i samband med principerna för låsning, kan förmodligen anses vara något mittemellan.

Tvångsspärrade differentialer

Manuell differentialspärr

På kommando från hytten låses differentialväxlarna och hjulen roterar synkront. Differentialen bör alltså låsas innan man tar sig över svåra vägavsnitt (klibbigt underlag, hinder) och sedan låsas upp efter att man kört in på en normal väg. Det används i terrängfordon och stadsjeepar .

När du kör sådana bilar rekommenderas det oftast inte att låsa differentialen när bilen är i rörelse, det är lämpligt att slå på låset på parkeringsplatsen. Du måste också veta att vridmomentet som genereras av motorn är så stort att det kan bryta låsmekanismen eller axelaxeln. Vanligtvis anger biltillverkare separat den rekommenderade maxhastigheten med en låst differential, om den överskrids är transmissionsfel möjliga. Det medföljande låset, speciellt i framaxeln, påverkar köregenskaperna negativt.

Elektronisk differentialkontroll

På stadsjeepar utrustade med ett antisladdsystem (TRC och andra), om ett av hjulen slirar, bromsas det av en färdbroms.

En liknande lösning användes i Formel 1 1998. I McLaren MP4/13 -bilen från McLaren -teamet kunde föraren vid svängning sakta ner det inre hjulet med en färdbroms . Detta system förbjöds snabbt, men i Formel 1 slog friktionsdifferentialdesignen rot, där kopplingen dessutom styrs av en dator. 2002 skärptes de tekniska föreskrifterna; från samma år till denna dag är endast differentialer av den enklaste typen tillåtna i Formel 1.

Fördelen med elektronisk styrning är att det blir mer grepp i kurvor och graden av blockering kan justeras beroende på förarens önskemål. På en rak linje sker ingen förlust av motoreffekt alls. Nackdelen är att sensorerna och ställdonen har en viss tröghet , och en sådan differential är okänslig för snabbt föränderliga vägförhållanden.

DPS

Dual Pump System - ett system med två pumpar som automatiskt kopplar ihop den andra axeln när en saknas. Används i Hondas fyrhjulsdriftssystem . Fördelar: fungerar automatiskt, sparar bensin. Nackdelar: begränsad längdåkningsförmåga , komplexitet, dragbegränsningar .

Simulerad differentialspärr

Imitation av differentialspärr (nedan kallat IBD ) - inriktning av rotationshastigheten för de slirande och icke-snurrande hjulen, liknande hur det ser ut i fall av ett riktigt mekaniskt differentialspärr, bara inte på grund av den mekaniska anslutningen av hjulen eller den tvingade minskning av differentialens effektivitet, men på grund av bromsning av det slirande hjulet med en färdbroms. Samtidigt, enligt principerna för drift av alla differentialer, på ett slirande hjul med lågt grepp, orsakar bromskraften en ökning av vridmomentet, vilket leder till en jämförbar ökning av vridmomentet på ett eftersläpande hjul med högt grepp, vilket, i sin tur låter dig använda dess grepp på vägen och ger därmed effekten av en generell ökning av axelns dragkraft. Den huvudsakliga kontrollmekanismen för alla IBD-system är ABS-bromsar . Driften av IDU-systemet uttrycks i en kortvarig impulsbromsning av ett glidande hjul av en färdbroms, och dess effektivitet bestäms av driftfrekvensen, därför blev IDU-system möjliga först med tillkomsten av moderna högfrekventa ABS bromsar.

IBD är just en imitation. Till skillnad från alla system med en verklig differentialspärr, som, när den utlöses, tycks ta differentialen ur funktion och därigenom möjliggöra omfördelning av vridmoment till ett visst förhållande som anges av spärrkoefficienten, kan IDU inte under några omständigheter sätta differentialen ur funktion, och i processen för driften av IDU är vridmomenten alltid i den enda möjliga proportionen som finns i en given differential (för en tväraxeldifferential är detta vanligtvis 50/50). Oförmågan att godtyckligt omfördela vridmoment i enlighet med tillgängliga dragkrafter på hjulen är en oåterkallelig nackdel med något IDU-system, och det är därför IDU vanligtvis inte används på riktiga terrängfordon, vars funktion innebär fall av rörelse med godtyckligt förändrade dragkrafter på hjulen varje sekund i bredast möjliga intervall från 0 upp till 100 procent. En annan oundviklig nackdel med alla IDU-system är att när IDU aktiveras, går en del av motorkraften åt att övervinna bromskraften, vilket minskar mängden effektivt använda kraft för rörelse. Det bromsade hjulet i sig kan också öka det totala motståndet mot rörelse, även om moderna högfrekventa IDU-system försöker förhindra detta.

För första gången beskrevs principen att simulera differentialspärr i tidningen "Ung tekniker" nr 10 för 1983.

Varför sladdar bilen? Varför är det så att ett av de drivande hjulen, som träffar isen eller leran, snurrar våldsamt tomgångslöst, medan det andra, väl kopplat till vägen, förblir orörligt? Ni vet säkert att en bils drivaxel är ansluten till hjulen genom en differential som gör att de kan rotera i olika hastigheter. Om det inte vore för differentialen kan däckslirning i kurvor inte undvikas. Men på en dålig väg kan differentialen göra en björntjänst – inte konstigt att terrängfordon är utrustade med ett differentialspärr, som hindrar ett hjul från att rotera när det andra står stilla.

Ett enkelt sätt att öka framkomligheten för bilar föreslogs av tiondeklassaren Sergey Kabanov från Sumy-regionen. ”Om hjulet roterar utan motstånd”, hävdar han, ”så måste det bromsas; då kommer det andra hjulet att röra sig och bilen börjar röra sig. Sergey föreslår att du installerar en ventil på bilens bromsledning. I ventilens mittläge överförs bromskraften till alla hjul, men genom att vrida den kommer vi att rikta bromsvätskan till endast ett av drivhjulen. För att låsa differentialen, vrid ventilen mot det glidande hjulet och tryck på bromspedalen. Kranen återgår till mittläget av sig själv under inverkan av en returfjäder; detta garanterar bromsarnas tillförlitlighet under normala förhållanden.

IDU-system kan användas på ett fordon både på egen hand och tillsammans med olika riktiga låssystem. Det gemensamma arbetet för båda systemen kan byggas både på en ömsesidigt uteslutande och på en komplementär basis. Potentiellt kan IBD-systemet användas på maskiner av vilken typ som helst. I jämförelse med mekaniskt låsta differentialer förlorar IBD inte sina egenskaper från drift, kräver inga justeringar och speciellt underhåll och kräver ingen speciell körfärdighet från föraren.

IDU-system är inte dragkontrollsystem i sin rena form, och till skillnad från dem påverkar IDU inte kontrollen av bilmotorn på något sätt, utan löser problemet med att maximera dragkraften på den nivå av tillgänglig kraft som är absolut nödvändig av föraren.

Aktiv differential

Termen betyder vilken differential som helst, vars enhet gör att du kan omfördela kraft / dragkraft på de drivna länkarna i vilken proportion som helst som krävs för ett givet rörelsemoment. Detta är just skillnaden mellan en aktiv differential och en låsbar, där effektstyrning på de drivna länkarna i princip är omöjlig, och den bestäms enbart av vidhäftningskrafterna. Alla aktiva differentialer har ett tvåkanaligt styrsystem och nödvändigtvis två styrelement - två bromsar eller två kopplingar - som ingår i arbetet på kommando från externa källor. Alla aktiva differentialer, förutom huvudplanetväxeln, som utför funktionerna för fri kraftfördelning, har ett par ytterligare planethjul eller enkla växlar som utför funktionen att omfördela kraften i deras riktning. Var och en av dessa parade överföringar är associerade med sitt eget kontrollelement. Även om aktiva differentialer inte har några låsmekanismer, är faktiskt alla aktiva differentialer låsbara, bara de har inte ett symmetriskt låsläge, utan två asymmetriska (en för var och en av de två sidorna). I dessa lägen fungerar differentialkontrollelementet utan intern slirning, och själva differentialen övergår i en nedväxling och uppväxling. På personbilar med aktiva differentialer får dessa extrema lägen inte användas, men de används i differentialsvängmekanismer på bandfordon.

Fall där det inte finns några skillnader i en överföring

Närvaron av differentialer som delar effekt i överföringen av ett transportfordon är inte nödvändigt. Deras frånvaro leder utan tvekan till ökade belastningar på transmissionen och ökat hjulslitage, men detta ställs antingen ut med, eller när det gäller den avsedda driften av en viss maskin spelar det ingen roll. Ett tvåhjulsdrivet fyrhjuligt fordon klarar sig i princip utan differential - till exempel en kart , eller en bakhjulsdriven racerbil för racing på underlag med låg dragkraft. I extraordinära fall kanske inte ens en asfalterad racerbil har någon differential (exempel är 1991 års 24 Hours of Le Mans -vinnare Mazda 787B). På en rent framhjulsdriven bil måste en mellanhjulsdifferential vara obligatorisk, eftersom dess frånvaro inte tillåter tillräcklig svängning oavsett typ av vägyta. I fyrhjulsdrivna bilar kanske det inte finns några mittdifferentialer, och återigen, antingen är detta inte viktigt med tanke på bilens funktion (till exempel WRC-racingbilar 2012-2016), eller att köra på en sådan bil endast tillåtet på ytor med låg vidhäftningskoefficient (till exempel stadsjeepar med ansluten framaxel som UAZ-469, GAZelle 4x4, Sable 4x4 eller Jeep Wrangler). Det finns inga skillnader på dragmaskiner för järnvägstransporter - på elektriska lokomotiv, diesellok, elektriska tåg, tunnelbanevagnar. Hjulen på en axel på dessa maskiner kan, på grund av slitbanans koniska yta och ökningen av spårvidden på bågen, röra sig något bort från mitten av spåret och därigenom ge en annan diameter vid kontaktpunkterna av hjulet med skenan. Dessutom kan hjulen glida när de rör sig i en båge, samtidigt som de gör ett specifikt ljud, som delvis jämnas ut av rälsspårets lutning i kurvor. Separata mekanismer för att svänga bandfordon kan också klara sig utan skillnader i sin design - här bestäms maskinens rörelse längs en båge antingen genom att friktionskopplingarna slirar, eller i allmänhet har maskinen bara ett fåtal fasta svängradier. Det finns inga differentialer i velomobiler, där man istället för dem, för kostnadsreduktion och enkelhet, använder enklare och mer lättillgängliga spärrhakar ( frikörningskopplingar ) i hjulen - en sådan drivning gör att hjulen kan rotera på drivaxeln vid olika hastigheter, men dragkraften överförs endast till hjulet som roterar långsammare . Differentialer kanske inte finns i gå-bakom traktorer och småskalig mekanisering, där deras frånvaro utjämnas av ett extremt smalt spår av drivaxelns hjul, lätt deformerbara däck och en låg vidhäftningskoefficient mellan hjulen och marken. Dessutom kan differentialen saknas i elfordon, som använder en motor för varje hjul.

Se även

Anteckningar

  1. ↑ Motorfordonet K.Newton W.Steeds TKGarrett nionde upplagan pp549-550

Länkar