Diferenciál je mechanické zařízení, které přenáší točivý moment z jednoho zdroje na dva nezávislé spotřebiče tak, že úhlové rychlosti otáčení zdroje a obou spotřebičů mohou být vůči sobě různé. Tento přenos točivého momentu je možný pomocí tzv. planetového mechanismu. V automobilovém průmyslu je diferenciál jednou z klíčových částí převodovky. V první řadě slouží k přenosu točivého momentu z převodovky na kola hnací nápravy.

Proč k tomu potřebuješ diferenciál? V každém rohu je dráha kola na nápravě pohybující se podél krátkého (vnitřního) poloměru menší než dráha dalšího kola na stejné nápravě pohybujícího se po dlouhém (vnějším) poloměru. V důsledku toho musí být úhlová rychlost otáčení vnitřního kola menší než úhlová rychlost otáčení vnějšího kola. V případě nepoháněné nápravy je tato podmínka splnitelná celkem jednoduše, protože obě kola nesmí být vzájemně spojena a otáčet se nezávisle. Pokud je ale hnaná náprava, pak je nutné přenášet točivý moment současně na obě kola (pokud točivý moment přenášíte pouze na jedno kolo, pak bude schopnost ovládat auto podle moderních koncepcí velmi špatná). Pokud by kola hnací nápravy byla pevně spojena a točivý moment by se přenášel na jedinou osu obou kol, vůz by se nemohl normálně otáčet, protože kola se stejnou úhlovou rychlostí by měla tendenci urazit stejnou dráhu během jízdy. otočit se. Diferenciál vám umožňuje tento problém vyřešit: přenáší točivý moment na samostatné nápravy obou kol (polohřídel) prostřednictvím svého planetového mechanismu s libovolným poměrem úhlových rychlostí otáčení nápravových hřídelí. V důsledku toho se vůz může normálně pohybovat a ovládat jak na rovné cestě, tak při zatáčení.

Planetový mechanismus má však vzhledem k fyzice zařízení velmi špatnou vlastnost: má tendenci přenášet výsledný točivý moment tam, kde je to snazší. Pokud mají například obě kola jedné nápravy stejnou trakci a síla potřebná k roztočení každého kola je stejná, bude diferenciál rozdělovat točivý moment rovnoměrně mezi kola. Jakmile se ale objeví znatelný rozdíl v přilnavosti kol k vozovce (např. jedno kolo se dostane na led a druhé zůstane na asfaltu), začne diferenciál okamžitě přerozdělovat moment na kolo, jehož točivá síla je nejmenší (tedy k té, která je na ledu). Výsledkem je, že kolo umístěné na asfaltu přestane přijímat točivý moment a zastaví se a kolo umístěné na ledu převezme veškerý točivý moment a bude se otáčet zvýšenou úhlovou rychlostí a planetový mechanismus bude hrát roli převodovka, zvyšující rychlost otáčení tohoto kola. Tento jev přirozeně velmi zhoršuje ovladatelnost a ovladatelnost vozidla. Podle logiky věci je totiž v uvažované situaci vhodné přenést moment na kolo umístěné na asfaltu, aby vůz mohl pokračovat v pohybu.

READ
Jak izolovat spodek stanu?

U vozidel s pohonem všech kol jsou obvykle dvě nápravy vybaveny diferenciálem a často lze nalézt i diferenciál mezi nápravami (středový diferenciál). Dostaneme tedy převodové schéma, ve kterém jsou až tři diferenciály: dva můstkové diferenciály a jeden středový diferenciál. Ten je nezbytný pro neustálý pohyb s pohonem všech kol a přenosem točivého momentu na všechna čtyři kola. Při zatáčení totiž mají kola řízené nápravy (většinou přední) úplně jiné úhlové rychlosti než kola zadní nápravy. Středový diferenciál je navržen tak, aby přenášel točivý moment z převodovky na obě hnací nápravy s různými poměry úhlových rychlostí. Toto schéma se třemi diferenciály je jedním z nejběžnějších schémat pro trvalý pohon všech kol (Full time 4WD).

To je však téma pro jinou sekci. V této části nás zajímá diferenciál a jeho vlastnosti. Vrátíme-li se k výše popsané problematické vlastnosti planetového mechanismu, je zajímavé uvažovat o situaci, kdy vozidlo s pohonem všech kol se středovým diferenciálem dostalo jedno ze čtyř kol na stejný led (nebo do kluzké díry). co se stane potom? Diferenciál nápravy, jejíž kolo je na ledu, přenese veškerý výsledný točivý moment na toto kolo. Středový diferenciál se zase snaží přenést točivý moment tam, kde je to snazší. Pro středový diferenciál je přirozeně snazší přenést točivý moment na nápravu s protáčejícím se kolem na ledu než na nápravu, jejíž kola mají dobrou přilnavost k vozovce a dokážou pohnout autem. Díky tomu bude veškerý točivý moment z motoru a převodovky využit k roztočení jediného kola umístěného na ledu. Zbývající tři kola se zastaví a nedostanou žádný točivý moment z diferenciálů. Výsledek: ze čtyř hnacích kol zůstává pouze jedno, které klouže na ledu – vozidlo s pohonem všech kol je „zaseknuté“. Jak můžeme zajistit, aby diferenciály přenášely točivý moment na kola s lepší přilnavostí k vozovce? Za tímto účelem byly vyvinuty různé způsoby částečné a úplné, manuální a automatické uzávěrky diferenciálu, o kterých bude řeč níže.

Hlavním účelem uzávěrky diferenciálu je přenášet požadovaný točivý moment na oba její spotřebiče (nápravové hřídele nebo kardany). Existují zásadně odlišné metody řešení tohoto problému.

READ
K čemu je dobrý hovězí jazyk?

Diferenciál u tohoto typu uzávěrky vlastně přestává plnit své funkce a mění se v jednoduchou spojku, která mezi sebou pevně spojuje nápravové hřídele (nebo kardany) a přenáší na ně stejný kroutící moment při stejné úhlové rychlosti. K úplnému zablokování klasického diferenciálu stačí buď zablokovat možnost otáčení satelitů, nebo napevno připojit misku diferenciálu k některému z nápravových hřídelů. Takové blokování se obvykle realizuje pomocí pneumatického, elektrického nebo hydraulického pohonu, ovládaného řidičem zevnitř vozu. Používá se pro můstkové i středové diferenciály. Obrázek ukazuje schéma uzávěrky ARB pro nápravový diferenciál, ve kterém jsou pastorky zablokované.

Tento typ zámku lze aktivovat pouze při úplném zastavení vozu. Musí být používány velmi opatrně, protože síla motoru je dostatečná k tomu, aby „rozbila“ blokovací mechanismus nebo zlomila hřídel nápravy. Takové zámky je vhodné používat pouze při nízkých rychlostech pro pohyb v obtížném terénu, protože při jejich použití v nápravách (zejména v řízených nápravách) vůz výrazně ztrácí ovladatelnost. Plnohodnotné rámové SUV, jako je Toyota Land Cruiser, 4Runner (Hilux Surf), Mercedes G-Class atd., jsou zpravidla vybaveny pevnými uzávěrkami náprav a středovými diferenciály. atd.

Limited Slip Differentials – diferenciály s omezeným „prokluzem“ (jedna nápravová hřídel vůči druhé).

V tomto případě je zablokován jeden z hřídelů nápravy s miskou diferenciálu. Viskózní spojka je namontována koaxiálně k hřídeli nápravy tak, že jeden z jejích pohonů je pevně spojen s miskou diferenciálu a druhý s hřídelí nápravy. Při normálním pohybu jsou úhlové rychlosti otáčení misky a hřídele nápravy stejné nebo se mírně liší (v zatáčce). V souladu s tím mají pracovní roviny viskózní spojky stejnou malou odchylku v úhlových rychlostech a spojka zůstává otevřená. Jakmile jedna z os začne dostávat znatelně větší krouticí moment a vyšší úhlovou rychlost otáčení vůči druhé, objeví se ve viskózní spojce tření a ta se začne blokovat. Navíc čím větší je rozdíl rychlostí, tím silnější je tření uvnitř viskózní spojky a stupeň jejího zablokování. Se zvyšujícím se stupněm zablokování viskózní spojky a vyrovnáváním úhlových rychlostí miskovitého a osového hřídele začne tření uvnitř viskózní spojky klesat, což vede k hladkému otevření viskózní spojky a blokování se vypne. Toto schéma se používá pro středové diferenciály, protože jeho konstrukce je příliš masivní pro instalaci na nápravovou převodovku. (Schéma na obrázku) Takový uzamykací mechanismus se dobře hodí pro provoz v podmínkách špatného povrchu vozovky, v reálných terénních podmínkách však jeho schopnosti zdaleka nevynikají: viskózní spojka se nedokáže vyrovnat s neustálými změnami stavů adheze mostů k zemi, při zapnutí se zpozdí, přehřeje se a selže. Tento typ uzávěrky středového diferenciálu lze nalézt na „parketových“ SUV: Toyota Rav4, Lexus RX300 atd. atd.

READ
Co potřebujete vědět při výběru mikrofonu?

Princip fungování těchto zámků je poměrně jednoduchý. Místo klasického ozubeného planetového mechanismu jsou použity vačkové nebo ozubené páry, které mají s malým rozdílem úhlových rychlostí hřídelí náprav schopnost vzájemného otáčení (přeskakování), při prokluzu se zasekávají a blokují hřídele náprav mezi sebou. Není těžké si představit, co se stane s autem, když se takový zámek v zatáčce aktivuje.

Některé kopie při malém rozdílu otáček jednoduše vypnou jeden z nápravových hřídelů. Proto jsou takovými uzávěry standardně vybaveny pouze diferenciály vojenské a speciální techniky (obrněné transportéry apod.).

Konstrukce takových diferenciálů je poměrně jednoduchá a v zásadě se neliší od konstrukce běžného otevřeného diferenciálu. Mezi nápravové hřídele a misku diferenciálu (které jsou na obrázku vpravo označeny červenými tečkami) byly přidány sady bloků třecích lamel. Proto se takové diferenciály často nazývají „LSD založené na tření“. Když se diferenciál snaží přerozdělit točivý moment na jeden z nápravových hřídelů a začne vznikat rozdíl v úhlových rychlostech nápravových hřídelů a misky, kotouče pod vlivem tření omezí vznik tohoto rozdílu. Samozřejmě, když velikost točivého momentu překročí třecí sílu lamel, veškerá rotace se přenese na snadněji otočný hřídel nápravy. Takové zámky fungují v relativně malém rozsahu točivých poměrů.

Poměrně často jsou třecí špalky odpružené. Takové diferenciály jsou standardně instalovány v zadní nápravě mnoha SUV – Toyota 4Runner (Hilux Surf), Nissan Terrano, Kia Sportage atd. atd. Americká společnost ASHA Corp. šel dále vybavením paketu spojky diferenciálu LSD blokovacím zařízením skládajícím se z čerpadla s pístem (diferenciál Gerotor). Když dojde k rozdílu v úhlových rychlostech hřídele nápravy a misky, čerpadlo napumpuje olej (kapalinu) na píst a stlačí třecí blok, čímž zablokuje diferenciál. Toto provedení se nazývá Gerodisk (Hydra-Lock) a je standardně instalováno na SUV Chrysler (na obrázku vlevo). Pro téměř všechny diferenciály založené na tření je nutné použít speciální olej, který obsahuje přísady, které zajišťují normální provoz třecích bloků.

Jedná se o jednu z nejzajímavějších, nejefektivnějších, technologicky vyspělých a prakticky použitelných forem uzávěrky diferenciálu. Princip fungování je založen na vlastnosti hypoidního páru „klínovat“. V tomto ohledu jsou hlavní (nebo všechny) převody v takových diferenciálech hypoidní (šnekové, nebo v běžné řeči – šroubové). Není tolik druhů vzorů – lze rozlišit tři hlavní typy.

READ
Jak se jmenuje panel zakrývající nohy kuchyně?

První typ vyrábí Zexel Torsen. (T-1) Hypoidní páry jsou ozubená kola a satelity hnací nápravy. V tomto případě má každá osa nápravy své satelity, které jsou ve dvojicích spojeny se satelity protilehlé osy pomocí běžného čelního ozubeného kola. Je třeba poznamenat, že osa satelitu je kolmá na poloosu. Během normálního pohybu a stejných momentů přenášených na nápravové hřídele se hypoidní páry „satelit / hnací ozubené kolo“ buď zastaví, nebo se otočí, což zajišťuje rozdíl v úhlových rychlostech nápravových hřídelů při otáčení.

Jakmile se diferenciál pokusí přenést točivý moment na některý z nápravových hřídelů, hypoidní pár tohoto nápravového hřídele se začne zaklíňovat a blokovat s miskou diferenciálu, což vede k částečnému zablokování diferenciálu. Tato konstrukce pracuje v nejširším rozsahu poměrů točivého momentu – od 2.5/1 do 5.0/1, to znamená, že je nejvýkonnější v řadě. Pracovní rozsah se nastavuje úhlem zubů šneku.

Autorem druhého typu je Angličan Rod Quaife. V tomto případě jsou osy satelitů rovnoběžné s poloosami. Satelity jsou umístěny ve zvláštních kapsách misky diferenciálu. V tomto případě spárované satelity nemají čelní ozubení, ale tvoří mezi sebou další hypoidní pár, který se při zaklínění také účastní procesu blokování (na druhém obrázku). Podobné zařízení má i diferenciál True Trac společnosti Tractech. I u nás v Rusku se objevila výroba podobných diferenciálů pro domácí vozy UAZ apod. atd.

Firma Zexel Torsen ale ve svém diferenciálu T-2 navrhla trochu jiné rozložení v podstatě stejného zařízení (na obrázku vpravo). Spárované satelity jsou díky svému neobvyklému designu vzájemně spojeny na vnější straně pomocí slunečních kol. Oproti prvnímu typu mají tyto diferenciály menší rozsah uzávěrky, jsou však citlivější na rozdíl přenášeného točivého momentu a pracují dříve (od 1.4/1). Společnost Tractech nedávno uvedla na trh nápravový diferenciál Electrac citlivý na točivý moment, vybavený systémem nuceného elektrického zamykání.

Třetí typ vyrábí Zexel Torsen (T-3) a používá se především pro středové diferenciály. Planetová struktura konstrukce umožňuje posunout rozdělení jmenovitého momentu ve prospěch jedné z os. Například diferenciál T-4 použitý u 4. generace 3Runner má nominální rozdělení točivého momentu 40/60 ve prospěch zadní nápravy. V souladu s tím je posunut celý rozsah částečného blokování: z (přední/zadní) 53/47 na 29/71.
Obecně lze jmenovité rozdělení točivého momentu mezi nápravy posunout v rozsahu od 65/35 do 35/65. K částečnému zablokování dochází, když je 20-30% rozdíl v krouticích momentech přenášených na osu. Taková struktura diferenciálu také činí kompaktní, což zase zjednodušuje konstrukci a zlepšuje uspořádání rozdělovací převodovky.
Výše popsané diferenciály citlivé na točivý moment jsou v motorsportu velmi oblíbené. Navíc mnoho výrobců montuje takové diferenciály na své modely standardně, a to jak středové, tak mezinápravové diferenciály. Například Toyota instaluje takové diferenciály jak na osobní vozy (Supra, Celica, Rav4, Lexus IS300, RX300 atd.), tak na SUV (4Runner / Hilux Surf, Land-Cruiser, Mega-Cruiser, Lexus GX470) a autobusy (Coaster Mini -Autobus). Tyto diferenciály nevyžadují použití speciálních olejových přísad (na rozdíl od diferenciálů na bázi tření), nicméně pro zatížené hypoidní převody je lepší použít kvalitní olej.

READ
Jak vybělit podpaží aspirinem?

Řízení diferenciálního provozu pomocí elektronických systémů řízení brzdné síly (Traction Control atd.)

V moderním automobilovém průmyslu se stále více využívá elektronických systémů řízení pohybu vozidel. Již vzácně najdeme vozy, které nejsou vybaveny systémem ABS (který zabraňuje zablokování kol při brzdění). Navíc od konce 80. let minulého století začali přední výrobci vybavovat své vlajkové modely systémy kontroly trakce a přilnavosti kol – Traction Control. Například Toyota instalovala Traction Control na Lexus LS400 v roce 1989 (90). Princip fungování takového systému je jednoduchý: univerzální (také sloužící ABS) snímače otáčení instalované na řízených kolech detekují začátek prokluzu jednoho kola nápravy vůči druhému a systém automaticky zpomalí zablokované kolo, čímž se zvyšuje jeho zatížení a diferenciál je nucen přenášet točivý moment na kolo s dobrou přilnavostí. Pokud dojde k silnému prokluzu, může systém také omezit přívod paliva do válců. Fungování takového systému je velmi efektivní, zejména u vozidel s pohonem zadních kol. Zpravidla lze takový systém na přání násilně deaktivovat tlačítkem na palubní desce.