Diferenciál (mechanika)

Aktuální verze stránky ještě nebyla zkontrolována zkušenými přispěvateli a může se výrazně lišit od verze recenzované 31. srpna 2021; kontroly vyžadují 2 úpravy .

Diferenciál (z latiny  differentia  - rozdíl, rozdíl) - mechanismus pro přenos výkonu rotací, který umožňuje bez prokluzu a ztráty účinnosti přidat dva vstupní toky výkonu nezávislé na jejich úhlových rychlostech do jednoho výstupního, rozložit jeden vstupní výkon proudí do dvou odcházejících, vzájemně závislých v jejich úhlových rychlostech a také fungují střídavě v první a druhé verzi. Hlavním účelem diferenciálu v technologii jsou převodovkyvozidla, ve kterých diferenciál rozděluje tok výkonu z motoru na dva mezi kola, nápravy, pásy, vzduchové a vodní vrtule. Jiné použití diferenciálů ve strojírenství obecně a v dopravní technice zvlášť je druhotné a málo časté. Mechanickým základem výchozího diferenciálu je planetové soukolí, jako jediné ze všech rotačních soukolí má dva stupně volnosti .

Schůzka

Použití diferenciálů v převodovkách vozidel je dáno potřebou zajistit otáčení hnacích kol stejné nápravy na různých frekvencích. V první řadě je to nutné v zatáčkách, ale také při různých průměrech hnacích kol, což je možné při nucené montáži pneumatik dvou různých velikostí nebo při rozdílu tlaku v pneumatikách. V případě, že obě kola mají tuhou kinematickou vazbu, jakýkoli nesoulad mezi rychlostmi otáčení z výše uvedených důvodů vede ke vzniku tzv. parazitní cirkulace výkonu. Tento jistě škodlivý jev způsobuje prokluzování kola s menší tažnou silou vůči povrchu vozovky, destabilizuje pohyb vozu v oblouku, zatěžuje převodovku a motor, zvyšuje spotřebu paliva a projevuje se tím silnější, čím menší je poloměr otáčení. a čím vyšší adhezní síly působí na kola. Diferenciál, instalovaný v sekci hnacích hřídelí kol jedné nápravy, umožňuje přerušit tuhé kinematické spojení mezi koly a eliminovat parazitní cirkulaci výkonu, aniž by došlo ke ztrátě schopnosti efektivně přenášet výkon na každé kolo. téměř 100 %. Takový diferenciál se nazývá „cross-axle“ a tato oblast použití je hlavní oblastí pro diferenciály obecně, protože mezinápravový diferenciál je přítomen v pohonu hnacích kol všech osobních, nákladních a drtivá většina terénních , sportovních a závodních vozů.

Kromě pohonu hnacích kol automobilu se také používají diferenciály:

Zařízení

Základem každého diferenciálu může být pouze planetové soukolí , které díky mechanice své práce jako jediné ze všech rotačních převodů dokáže vyřešit problémy, s nimiž se potýká diferenciál v převodovce. Termín "planetární diferenciál" je nadbytečný - každý diferenciál je ve výchozím nastavení planetární. Výkon PP jako diferenciálu absolutně nezávisí ani na jeho složení nebo formě, ani na volbě konkrétních článků pro vedení nebo pohon. Jakýkoli PP ve své nejjednodušší verzi - tříčlánkový planetární mechanismus bez jakýchkoliv ovládacích prvků - může plnit funkce rozkladu jednoho proudu na dva vzájemně propojené nebo přidání dvou nezávislých proudů do jednoho. Výběr dalších PP článků jako předních a jiných jako řízených je dán pouze požadovanou kinematikou vazeb diferenciálu s ostatními převodovými prvky a zvláštnostmi mechaniky diferenciálu ve zvoleném formátu rozložení funkcí. mezi odkazy. Doplnění PP o regulační prvky a použití tzv. komplexních planetových mechanismů dává diferenciálu schopnost vzájemného vyrovnávání úhlových rychlostí proudění a schopnost tyto rychlosti aktivně řídit.

Kanonickým, nejznámějším typem diferenciálu je mezinápravový diferenciál automobilu, vyrobený na základě jednoduchého (tedy tříčlánkového) prostorového planetového mechanismu schématu SHS na čtyřech kuželových převodech. Nosičem planetového soukolí takového diferenciálu je vlastně celé jeho tělo - to je přední článek ➁. Dvě ozubená kola jsou satelity na společné nápravě ➂. A dvě ozubená kola jsou dvě slunce - dva hnané články ➃. Síla je do skříně (nosiče) přiváděna přes pevně uchycené hnané kolo hlavního ozubeného kola , které je zase ve spojení s hnacím kolem ➀ formálně dalším převodovým prvkem, přestože diferenciál s hnaným ozubeným kolem často vypadá jako jediný montážní jednotka. Napájení je odebíráno ze dvou sluncí, ke kterým jsou v tomto případě připevněny hřídele s CV klouby.

Umístění

U vozidel s jednou hnací nápravou je diferenciál umístěn na hnací nápravě.

Vozidla s tandemovou nápravou mají dva diferenciály, jeden pro každou nápravu.

U vozidel s plug -in pohonem všech kol jeden diferenciál na každé nápravě. Na takových strojích se nedoporučuje jezdit po silnicích s hustým povrchem a se zapnutým pohonem všech kol.

U vozů se stálým pohonem všech čtyř kol jsou tři diferenciály: jeden na každé nápravě (mezikolo), plus jeden rozděluje točivý moment mezi nápravy (mezinápravový).

Se třemi nebo čtyřmi hnacími nápravami ( kolový vzorec 6 × 6 nebo 8 × 8) je doplněn mezinákladový diferenciál .

Problém prokluzujícího kola

Konvenční („bezplatný“) diferenciál funguje, pokud jsou hnací kola neoddělitelně spojena s vozovkou. Když ale jedno z kol ztratí trakci (skončí ve vzduchu, v blátě nebo na ledu), otáčí se právě toto kolo, zatímco druhé stojící na pevné zemi je nehybné. Pokud jedno z kol ztratí přilnavost, sníží se jeho odpor proti otáčení a dojde k roztočení bez výrazného zvýšení momentu odporu (kluzné tření v styčné ploše je menší než statické tření a výrazně nezávisí na rychlosti prokluzu) . V okamžiku, kdy kolo začne prokluzovat, jsou momenty na kolech navzájem shodné, např. když je jedno kolo na ledu a druhé na rovném suchém povrchu (asfaltu), moment na obou kolech je roven nejmenší, tzn. ten na ledě.

Při přímočarém pohybu vozu se satelity neotáčí kolem vlastní osy. Ale každá, jako rovnoramenná páka, rozděluje točivý moment hnaného ozubeného kola hlavního ozubeného kola rovnoměrně mezi ozubená kola nápravových hřídelů. Když se vůz pohybuje po zakřivené dráze, vnitřní kolo se vzhledem ke středu kruhu popsaného vozem otáčí pomaleji, vnější rychleji - zatímco satelity se otáčejí kolem své osy a obíhají kolem ozubených kol nápravových hřídelů. Ale princip rozdělování momentu rovnoměrně mezi kola je zachován. Síla dodávaná kolům je přerozdělena, protože se rovná součinu točivého momentu a úhlové rychlosti kola. Pokud je poloměr otáčení tak malý, že se vnitřní kolo zastaví, pak se vnější kolo otáčí dvojnásobnou rychlostí než automobil pohybující se v přímém směru.

Diferenciál nemění točivý moment, ale přerozděluje výkon mezi kola. Ten je vždy větší na kole, které se točí rychleji.

Historie způsobů řešení problému prokluzujícího kola

Samosvorný diferenciál

Pojmem se označuje jakýkoli diferenciál, jehož mechanika mu umožňuje se sám zablokovat – tedy vyrovnat úhlové rychlosti hnaných ozubených kol a přeměnit se v přímý převod. Samosvorné diferenciály nevyžadují žádné externí řídicí systémy a fungují autonomně. V autech lze použít mezikolo i mezinápravu. Nepoužívá se v pásových vozidlech. Obvykle lze všechny takové diferenciály rozdělit do dvou skupin: diferenciály spouštěné kroutícím momentem a spouštěné rozdílem úhlových rychlostí na hnaných ozubených kolech. Do první skupiny patří diferenciály se šroubovou, šnekovou a kotoučovou uzávěrkou. Ve druhém - diferenciály s viskózní spojkou , diferenciály s gerotorovým čerpadlem, diferenciály s odstředivým automatickým spínačem (Eaton G80), diferenciály s jednosměrnými spojkami (Ferguson). Konstrukce jako vačkové diferenciály a diferenciály Krasikov / Nesterov lze v kontextu principů činnosti uzávěrky považovat pravděpodobně za něco mezi.

Nucené uzávěrky diferenciálů

Manuální uzávěrka diferenciálu

Na povel z kabiny se zablokují diferenciály a kola se otáčejí synchronně. Diferenciál by se tedy měl uzamknout před zdoláním obtížných úseků silnice (lepkavý povrch, překážky) a poté odemknout po vjezdu na běžnou silnici. Používá se v terénních vozidlech a SUV .

Při jízdě s takovými auty se nejčastěji nedoporučuje uzávěrka diferenciálu za jízdy, vhodné je zapnout uzávěrku na parkovišti. Musíte také vědět, že točivý moment generovaný motorem je tak velký, že může zlomit blokovací mechanismus nebo hřídel nápravy. Obvykle výrobci automobilů samostatně udávají doporučenou maximální rychlost s uzamčeným diferenciálem, při jejím překročení jsou možné poruchy převodovky. Přiložený zámek, zejména v přední nápravě, nepříznivě ovlivňuje ovladatelnost.

Elektronická regulace diferenciálu

U SUV vybavených protiprokluzovým systémem (TRC a další) pokud jedno z kol prokluzuje, pak je zpomaleno provozní brzdou.

Podobné řešení bylo použito ve Formuli 1 v roce 1998. Ve voze McLaren MP4/13 týmu McLaren mohl jezdec při zatáčení zpomalit vnitřní kolo provozní brzdou . Tento systém byl rychle zakázán, ale ve Formuli 1 se prosadila konstrukce třecího diferenciálu, ve které je spojka navíc řízena počítačem. V roce 2002 došlo ke zpřísnění technických předpisů; od stejného roku až dodnes jsou ve formuli 1 povoleny pouze diferenciály nejjednoduššího typu.

Výhodou elektronického řízení je větší přilnavost v zatáčkách a stupeň blokování lze nastavit v závislosti na preferencích řidiče. Na přímce nedochází ke ztrátě výkonu motoru vůbec. Nevýhodou je, že snímače a akční členy mají určitou setrvačnost a takový diferenciál je necitlivý na rychle se měnící podmínky vozovky.

DPS

Dual Pump System - systém se dvěma čerpadly, automaticky připojující druhou nápravu, když jedno chybí. Používá se v systémech pohonu všech kol Honda . Výhody: funguje automaticky, šetří benzín. Nevýhody: omezená průchodnost terénem , ​​složitost, omezení tažení .

Simulovaná uzávěrka diferenciálu

Imitace uzávěrky diferenciálu (dále IBD ) - sladění rychlosti otáčení prokluzujících a neprotáčivých kol, podobně jako to vypadá v případech skutečné mechanické uzávěrky diferenciálu, jen ne kvůli mechanickému spojení kol nebo nucenému snížení účinnosti diferenciálu, ale v důsledku přibrzdění prokluzujícího kola provozní brzdou. Současně, podle principů činnosti jakéhokoli diferenciálu, na prokluzujícím kole s nízkou přilnavostí brzdná síla způsobí zvýšení točivého momentu, což vede ke srovnatelnému zvýšení točivého momentu na zpožděném kole s vysokou přilnavostí, které, zase umožňuje využít jeho přilnavost k vozovce a tím dává účinek obecného zvýšení tažné síly nápravy. Hlavním ovládacím mechanismem všech systémů IBD jsou brzdy ABS . Činnost systému IDU je vyjádřena krátkodobým impulsním brzděním prokluzujícího kola provozní brzdou a jeho účinnost je dána frekvencí provozu, proto se systémy IDU staly možnými až s nástupem moderních vysokofrekvenčních ABS brzdy.

IBD je přesně napodobenina. Na rozdíl od všech systémů skutečné uzávěrky diferenciálu, která po spuštění zdánlivě vyřadí diferenciál z provozu a tím umožní přerozdělení točivého momentu na určitý poměr deklarovaný koeficientem uzávěrky, IDU nemůže za žádných okolností vyřadit diferenciál z provozu, a v procesu provozu IDU jsou momenty vždy v jediném možném poměru vlastní danému diferenciálu (pro mezinápravový diferenciál je to obvykle 50/50). Nemožnost libovolně přerozdělovat točivý moment v souladu s dostupnými tažnými silami na kolech je nenávratným nedostatkem jakéhokoli systému IDU, a proto se IDU obvykle nepoužívá na skutečných terénních vozidlech, jejichž provoz zahrnuje případy pohybu s libovolně měnící tažné síly na kolech každou sekundu v co nejširším rozsahu od 0 do 100 procent. Další nevyhnutelnou nevýhodou všech systémů IDU je, že když je IDU aktivována, část výkonu motoru se spotřebuje na překonání brzdné síly, což snižuje množství efektivně využité síly pro pohyb. Také samotné brzděné kolo může zvýšit celkovou odolnost proti pohybu, i když se tomu moderní vysokofrekvenční IDU systémy snaží zabránit.

Poprvé byl princip simulace uzávěrky diferenciálu popsán v časopise „Mladý technik“ č. 10 pro rok 1983.

Proč je auto smyk? Čím to je, že jedno z hnacích kol narážejících na led nebo bláto se prudce naprázdno točí, zatímco druhé, dobře spojené s vozovkou, zůstává nehybné? Asi víte, že hnací hřídel auta je spojena s koly přes diferenciál, který jim umožňuje otáčet se různými rychlostmi. Nebýt diferenciálu, prokluzu pneumatik v zatáčkách se nelze vyhnout. Na špatné silnici však může diferenciál udělat medvědí službu – není divu, že terénní vozy jsou vybaveny uzávěrkou diferenciálu, která zabraňuje protáčení jednoho kola, když druhé stojí.

Jednoduchý způsob, jak zvýšit průjezdnost automobilů, navrhl desátý ročník Sergej Kabanov ze Sumy. „Pokud se kolo otáčí bez odporu,“ argumentuje, „musí být zpomaleno; pak se druhé kolo pohne a auto se dá do pohybu. Sergey navrhuje nainstalovat ventil na brzdové potrubí auta. Ve střední poloze ventilu se brzdná síla přenáší na všechna kola, ale jeho otáčením nasměrujeme brzdovou kapalinu pouze na jedno z hnacích kol. Pro uzamčení diferenciálu otočte ventil směrem k prokluzujícímu kolu a sešlápněte brzdový pedál. Jeřáb se sám vrátí do střední polohy působením vratné pružiny; to zaručuje spolehlivost brzd za normálních podmínek.

Systémy IDU lze na vozidle používat jak samostatně, tak společně s různými reálnými zámkovými systémy. Společná práce obou systémů může být postavena jak na vzájemně se vylučujícím, tak na komplementárním základě. Potenciálně lze systém IBD použít na strojích jakéhokoli typu. Ve srovnání s mechanicky uzamčenými diferenciály IBD neztrácí své kvality provozem, nevyžaduje seřízení a speciální údržbu a nevyžaduje od řidiče speciální řidičské dovednosti.

IDU systémy nejsou ve své čisté podobě systémy kontroly trakce a na rozdíl od nich IDU nijak neovlivňují řízení motoru automobilu, ale řeší problém maximalizace tažné síly na úrovni dostupného výkonu imperitivně nastaveného řidičem.

Aktivní diferenciál

Pojmem se rozumí jakýkoli diferenciál, jehož zařízení umožňuje přerozdělení výkonu / trakce na hnaných spojích v jakémkoli poměru požadovaném pro daný okamžik pohybu. To je právě rozdíl mezi aktivním diferenciálem a uzamykatelným diferenciálem, u kterého je regulace výkonu na hnaných táhlech principiálně nemožná a je určována výhradně adhezními silami. Všechny aktivní diferenciály mají dvoukanálový řídicí systém a nutně dva ovládací prvky - dvě brzdy nebo dvě spojky - které jsou součástí práce na příkaz z externích zdrojů. Všechny aktivní diferenciály kromě hlavního planetového převodu, který plní funkce volného rozdělení výkonu, mají dvojici přídavných planetových nebo jednoduchých převodů, které plní funkci přerozdělování výkonu v jejich směru. Každý z těchto spárovaných přenosů je spojen se svým vlastním ovládacím prvkem. Aktivní diferenciály sice nemají žádné uzávěrky, ve skutečnosti jsou všechny aktivní diferenciály také uzamykatelné, jen nemají jeden režim symetrické uzávěrky, ale dva asymetrické (jeden pro každou ze dvou stran). V těchto režimech pracuje ovládací prvek diferenciálu bez vnitřního prokluzu a samotný diferenciál přechází v řazení dolů a nahoru. Na osobních vozech s aktivními diferenciály se tyto extrémní režimy nesmí používat, ale používají se v diferenciálních natáčecích mechanismech pásových vozidel.

Případy, kdy v převodovce nejsou žádné diferenciály

Přítomnost diferenciálů rozdělujících výkon v převodovce dopravního prostředku není nutná. Jejich absence nepochybně vede ke zvýšenému zatížení převodovky a zvýšenému opotřebení kol, ale s tím se buď smíří, nebo je to z hlediska zamýšleného provozu konkrétního stroje jedno. Čtyřkolové vozidlo s pohonem dvou kol se v zásadě obejde bez diferenciálu - například motokára nebo závodní auto s pohonem zadních kol pro závody na površích s nízkou přilnavostí. Ve výjimečných případech nemusí mít diferenciál ani závodní auto na asfaltu (příkladem je vítěz 24 hodin Le Mans z roku 1991 Mazda 787B). U vozu s čistě předním pohonem musí být mezikolový diferenciál povinný, protože jeho absence neumožní adekvátní zatáčení bez ohledu na typ povrchu vozovky. U vozů s pohonem všech kol nemusí být středové diferenciály a opět to buď není důležité z hlediska provozu vozu (například závodní vozy WRC 2012-2016), nebo je jízda na takovém voze povoleno pouze na površích s nízkým koeficientem adheze (například SUV s připojenou přední nápravou jako UAZ-469, GAZelle 4x4, Sable 4x4 nebo Jeep Wrangler). Na trakčních strojích železniční dopravy nejsou diferenciály - na elektrických lokomotivách, dieselových lokomotivách, elektrických vlacích, vozech metra. Kola jedné nápravy těchto strojů se mohou v důsledku kuželovitého povrchu běhounové kružnice a zvětšení šířky stopy na oblouku mírně posunout od středu koleje a tím poskytnout jiný průměr v bodech dotyku. kola s kolejnicí. Navíc mohou kola při pohybu v oblouku prokluzovat a přitom vydávat specifický zvuk, který je částečně vyrovnáván sklonem koleje v zatáčkách. Samostatné mechanismy pro otáčení pásových vozidel se také ve své konstrukci obejdou bez diferenciálů - zde je pohyb stroje po oblouku určován buď prokluzem třecích spojek, nebo má stroj obecně jen několik pevných poloměrů otáčení. U velomobilů nejsou diferenciály, kde jsou místo nich z důvodu snížení nákladů a jednoduchosti použity v kolech jednodušší a dostupnější ráčny ( jednosměrné spojky ) - takový pohon umožňuje otáčení kol na hnací nápravě při různém rychlosti, ale tah se přenáší pouze na kolo, které se otáčí pomaleji . Diferenciály nemusí být u pojízdných traktorů a drobné mechanizace, kde jejich absenci vyrovnává extrémně úzký rozchod kol hnací nápravy, snadno deformovatelné pneumatiky a nízký koeficient adheze mezi koly a zemí. Diferenciál může také chybět u elektrických vozidel, která používají motor pro každé kolo.

Viz také

Poznámky

  1. ↑ Motorové vozidlo K.Newton W.Steeds TKGarrett Deváté vydání pp549-550

Odkazy