Diferenţial (mecanic)

Versiunea actuală a paginii nu a fost încă examinată de colaboratori experimentați și poate diferi semnificativ de versiunea revizuită la 31 august 2021; verificările necesită 2 modificări .

Diferențial (din latină  differentia  - diferență, diferență) - un mecanism de transmitere a puterii prin rotație, care permite, fără alunecare și pierdere a eficienței , adăugarea a două fluxuri de putere de intrare independente în vitezele unghiulare într-una de ieșire, pentru a descompune o putere de intrare. curge în două ieșiri interdependente în vitezele unghiulare și funcționează, de asemenea, în prima și a doua versiune alternativ. Scopul principal al diferenţialului în inginerie este transmisia vehiculelor de transport, în care diferenţialul împarte fluxul de putere de la motor în două între roţi, osii, şenile, elice de aer şi apă. O altă utilizare a diferențelor în inginerie în general și în tehnologia transporturilor în special este secundară și rar întâlnită. Baza mecanică a diferenţialului implicit este angrenajul planetar, ca singurul dintre toate angrenajele rotative care are două grade de libertate .

Numire

Utilizarea diferenţialelor în transmisiile vehiculelor se datorează necesităţii de a asigura rotirea roţilor motoare ale aceleiaşi osii la frecvenţe diferite. În primul rând, acest lucru este necesar în colțuri, dar și cu diferite diametre ale roților motoare, ceea ce este posibil cu montarea forțată a anvelopelor de două dimensiuni diferite sau cu o diferență de presiune în anvelope. În cazul în care ambele roți au o legătură cinematică rigidă, orice discrepanță între vitezele de rotație din motivele de mai sus duce la apariția așa-numitei circulații a puterii parazite. Acest fenomen cu siguranță dăunător provoacă alunecarea unei roți cu o forță de tracțiune mai mică în raport cu suprafața drumului, destabilizaază mișcarea mașinii într-un arc, încarcă transmisia și motorul, crește consumul de combustibil și se manifestă cu atât mai puternică, cu atât raza de viraj este mai mică. iar forţele de aderenţă care acţionează asupra roţilor sunt mai mari. Diferenţialul, instalat în secţiunea arborilor de antrenare a roţilor unei axe, vă permite să rupeţi legătura cinematică rigidă dintre roţi şi să eliminaţi circulaţia parazită a puterii, fără a pierde capacitatea de a transfera puterea către fiecare roată cu o eficienţă. aproape de 100%. Un astfel de diferențial se numește „axă transversală”, iar acest domeniu de aplicare este principalul diferențial în general, deoarece diferențialul cu axă transversală este prezent în acționarea roților motrice ale tuturor mașinilor, camioanelor și marea majoritate a mașinilor de teren , sport și de curse .

Pe lângă conducerea roților motrice ale unei mașini, diferențialele sunt utilizate și:

Dispozitiv

La baza oricărui diferențial poate fi doar un angrenaj planetar , care, datorită mecanicii funcționării sale, este singurul dintre toate angrenajele cu mișcare rotativă care poate rezolva problemele cu care se confruntă diferențialul în transmisie. Termenul „diferenţial planetar” este redundant - orice diferenţial este planetar în mod implicit. Performanța PP ca diferențial nu depinde absolut nici de compoziția sau de forma sa, nici de alegerea verigilor specifice pentru conducere sau condus. Orice PP în versiunea sa cea mai simplă - un mecanism planetar cu trei legături fără niciun element de control - poate îndeplini funcțiile de a descompune un flux în două interconectate sau de a adăuga două fluxuri independente într-unul singur. Alegerea altor legături PP ca fiind conducătoare și altele ca acționate este determinată numai de cinematica necesară a legăturilor diferențialului cu alte elemente de transmisie și de particularitățile mecanicii diferențialului în formatul selectat de distribuție a funcțiilor între legături. Adăugarea de PP cu elemente de control și utilizarea așa-numitelor mecanisme planetare complexe conferă diferențialului capacitatea de a egaliza reciproc vitezele unghiulare ale fluxurilor și capacitatea de a controla activ aceste viteze.

Cel mai cunoscut tip de diferențial canonic este diferențialul cu axele transversale al unei mașini, realizat pe baza unui mecanism planetar spațial simplu (adică cu trei brațe) al schemei SHS pe patru angrenaje conice. Purtătorul angrenajului planetar al unui astfel de diferențial este de fapt întregul său corp - aceasta este veriga principală ➁. Cele două angrenaje sunt sateliți pe o osie comună ➂. Iar cele două viteze sunt doi sori - două verigi antrenate ➃. Puterea este furnizată carcasei (suportului) printr-un angrenaj condus al angrenajului principal fixat rigid , care, la rândul său, împreună cu angrenajul de antrenare ➀, este în mod oficial un alt element de transmisie, în ciuda faptului că diferențial cu angrenajul condus arată adesea ca un singur unitate de asamblare. Puterea este îndepărtată de la doi sori, la care, în acest caz, sunt atașați arbori cu articulații CV.

Locație

La vehiculele cu o singură punte motoare, diferenţialul este situat pe puntea motoare.

Vehiculele cu axă tandem au două diferențiale, câte unul pentru fiecare axă.

La vehiculele cu tracțiune integrală plug -in , câte un diferențial pe fiecare axă. Pe astfel de utilaje nu se recomandă circulația pe drumuri cu suprafață densă și cu tracțiunea integrală activată.

La mașinile cu tracțiune integrală permanentă , există trei diferențe: câte unul pe fiecare axă (inter-roți), plus unul care distribuie cuplul între axe (inter-ax).

La trei sau patru osii motoare ( formula roților 6 × 6 sau 8 × 8), se adaugă un diferențial intercamion .

Problema unei roți care alunecă

Un diferențial convențional („gratuit”) funcționează atâta timp cât roțile motrice sunt indisolubil legate de drum. Dar când una dintre roți își pierde tracțiunea (sfârșește în aer, în noroi sau pe gheață), această roată este cea care se rotește, în timp ce cealaltă, stând pe un teren solid, este nemișcată. Dacă una dintre roți își pierde aderența, rezistența sa la rotație scade, iar spin-up-ul are loc fără o creștere semnificativă a momentului de rezistență (frecarea de alunecare în zona de contact este mai mică decât frecarea statică și nu depinde semnificativ de viteza de alunecare) . În momentul în care roata începe să alunece, cuplurile de pe roți sunt egale între ele, de exemplu, când o roată este pe gheață și cealaltă pe o suprafață plană uscată (asfalt), momentul pe ambele roți este egal cu cel mai mic, adică cel de pe gheață.

Cu o mișcare rectilinie a mașinii, sateliții nu se rotesc în jurul propriei axe. Dar fiecare, ca o pârghie cu brațe egale, împarte cuplul angrenajului condus al angrenajului principal în mod egal între angrenajele arborilor osiilor. Când mașina se mișcă de-a lungul unui traseu curbat, roata interioară față de centrul cercului descris de mașină se rotește mai încet, cea exterioară mai repede - în timp ce sateliții se rotesc în jurul axei lor, rulând în jurul angrenajelor arborilor osiilor. Dar principiul împărțirii momentului în mod egal între roți este păstrat. Puterea furnizată roților este redistribuită, deoarece este egală cu produsul dintre cuplul și viteza unghiulară a roții. Dacă raza de viraj este atât de mică încât roata interioară se oprește, atunci roata exterioară se rotește cu o viteză de două ori mai mare decât cea a unei mașini care se deplasează în linie dreaptă.

Diferenţialul nu modifică cuplul, ci redistribuie puterea între roţi. Acesta din urmă este întotdeauna mai mare pe roata care se învârte mai repede.

Istoria modalităților de a rezolva problema unei roți care alunecă

Diferenţial autoblocant

Termenul se referă la orice diferențial, a cărui mecanică îi permite să se blocheze singur - adică să egalizeze vitezele unghiulare ale angrenajelor conduse și să se transforme într-o transmisie directă. Diferențiale cu autoblocare nu necesită sisteme de control extern și funcționează autonom. În mașini, pot fi utilizate atât interroți, cât și interax. Nu este utilizat la vehiculele pe șenile. În mod convențional, toate astfel de diferențiale pot fi împărțite în două grupe: cele declanșate de cuplu și declanșate de diferența de viteze unghiulare pe angrenajele conduse. Primul grup include diferențiale cu blocare cu șurub, melcat și disc. În al doilea - diferențiale cu cuplare vâscoasă , diferențiale cu o pompă gerotor, diferențiale cu un comutator automat centrifugal (Eaton G80), diferențiale cu ambreiaje de rulare (Ferguson). Proiecte precum diferențele cu came și diferențiale Krasikov / Nesterov, în contextul principiilor operațiunii de blocare, pot fi probabil considerate ceva la mijloc.

Diferenţiale cu blocare forţată

Blocare manuală a diferențialului

La comanda din cabină, treptele diferenţiale sunt blocate, iar roţile se rotesc sincron. Astfel, diferentialul trebuie blocat inainte de a depasi portiuni dificile de drum (sol lipicios, obstacole), iar apoi deblocat dupa intrarea pe un drum obisnuit. Se aplică în vehiculele de teren și SUV-uri .

Când conduceți astfel de mașini, cel mai adesea nu este recomandat să blocați diferențialul atunci când mașina este în mișcare, este recomandabil să activați blocarea în parcare. De asemenea, trebuie să știți că cuplul generat de motor este atât de mare încât poate rupe mecanismul de blocare sau arborele axei. De obicei, producătorii de mașini indică separat viteza maximă recomandată cu un diferențial blocat; dacă este depășită, sunt posibile defecțiuni ale transmisiei. Blocarea inclusă, în special la puntea față, afectează negativ manevrabilitatea.

Control diferențial electronic

La SUV -urile echipate cu sistem anti-alunecare (TRC și altele), dacă una dintre roți alunecă, atunci aceasta este încetinită de o frână de serviciu.

O soluție similară a fost aplicată în Formula 1 în 1998. În mașina McLaren MP4/13 a echipei McLaren , la întoarcere, pilotul ar putea încetini roata interioară cu o frână de serviciu . Acest sistem a fost rapid interzis, dar în Formula 1 a prins rădăcini designul diferenţialului de frecare, în care ambreiajul este controlat suplimentar de un computer. În 2002, reglementările tehnice au fost înăsprite; din același an și până în prezent, în Formula 1 sunt permise doar diferențele de cel mai simplu tip.

Avantajul controlului electronic este că există mai multă tracțiune în viraje iar gradul de blocare poate fi reglat în funcție de preferința șoferului. Pe linie dreaptă, nu există nicio pierdere de putere a motorului. Dezavantajul este că senzorii și actuatoarele au o oarecare inerție , iar un astfel de diferențial este insensibil la schimbarea rapidă a condițiilor de drum.

DPS

Dual Pump System - un sistem cu două pompe, care conectează automat a doua axă atunci când lipsește una. Folosit în sistemele de tracțiune integrală Honda . Avantaje: functioneaza automat, economiseste benzina. Dezavantaje: abilitate limitată de cross -country , complexitate, restricții de remorcare .

Blocare diferențială simulată

Imitație de blocare a diferențialului (în continuare IBD ) - alinierea vitezei de rotație a roților care alunecă și care nu se învârtesc, similar cu modul în care arată în cazurile de blocare a diferențialului mecanic real, numai că nu datorită conexiunii mecanice a roților sau a forței reducerea randamentului diferentialului, dar datorita franarii rotii care patineaza cu o frana de serviciu. În același timp, conform principiilor de funcționare a oricărui diferențial, pe o roată care alunecă cu aderență scăzută, forța de frânare determină o creștere a cuplului, ceea ce duce la o creștere comparabilă a cuplului pe o roată întârziată cu aderență ridicată, care, la rândul său, vă permite să utilizați aderența pe șosea și, prin urmare, dă efectul unei creșteri generale a forței de tracțiune a osiei. Principalul mecanism de control al tuturor sistemelor IBD este frânele ABS . Funcționarea sistemului IDU este exprimată într-o frânare de impuls pe termen scurt a unei roți care alunecă de către o frână de serviciu, iar eficacitatea sa este determinată de frecvența de funcționare, prin urmare, sistemele IDU au devenit posibile numai odată cu apariția moderne de înaltă frecvență. Frâne ABS.

IBD este tocmai o imitație. Spre deosebire de orice sisteme de blocare a diferenţialului real, care, atunci când sunt declanşate, par să scoată diferenţialul din funcţiune şi, prin urmare, permit redistribuirea cuplurilor la un anumit raport declarat de coeficientul de blocare, IDU nu poate scoate în nicio circumstanţă diferenţialul, iar în procesul de funcționare a IDU, cuplurile sunt întotdeauna în singura proporție posibilă inerentă unui diferențial dat (pentru un diferențial cu axă transversală, acesta este de obicei 50/50). Incapacitatea de a redistribui arbitrar cuplurile în conformitate cu forțele de tracțiune disponibile pe roți este un dezavantaj irecuperabil al oricărui sistem IDU și, de aceea, IDU nu este utilizat de obicei pe vehicule de teren reale, a căror funcționare implică cazuri de mișcare cu schimbând în mod arbitrar forțele de tracțiune pe roți în fiecare secundă în cel mai larg interval posibil de la 0 la 100 la sută. Un alt dezavantaj inevitabil al oricărui sistem IDU este că atunci când IDU este activat, o parte din puterea motorului este cheltuită pentru a depăși forța de frânare, ceea ce reduce cantitatea de putere utilizată efectiv pentru mișcare. De asemenea, roata frânată în sine poate crește rezistența generală la mișcare, deși sistemele moderne IDU de înaltă frecvență încearcă să prevină acest lucru.

Pentru prima dată, principiul simulării blocării diferențialelor a fost descris în revista „Tânărul tehnician” nr. 10 pentru 1983.

De ce derapează mașina? De ce una dintre roțile motrice, lovind gheața sau noroiul, se învârte violent, inactiv, în timp ce cealaltă, bine cuplată cu drumul, rămâne nemișcată? Probabil știți că arborele de transmisie al unei mașini este conectat la roți printr-un diferențial care le permite să se rotească la viteze diferite. Dacă nu ar fi diferențial, atunci alunecarea anvelopelor în colțuri nu poate fi evitată. Cu toate acestea, pe un drum prost, diferenţialul poate face un deserviciu - nu e de mirare că vehiculele de teren sunt echipate cu un blocare a diferenţialului, care împiedică o roată să se rotească atunci când cealaltă este staţionară.

O modalitate simplă de a crește gradul de circulație al mașinilor a fost propusă de elevul de clasa a zecea Serghei Kabanov din regiunea Sumy. „Dacă roata se rotește fără rezistență”, argumentează el, „atunci trebuie încetinită; apoi cealaltă roată se va mișca și mașina va începe să se miște. Sergey sugerează instalarea unei supape pe linia de frână a mașinii. În poziția de mijloc a supapei, forța de frânare este transmisă tuturor roților, dar rotind-o vom direcționa lichidul de frână doar către una dintre roțile motoare. Pentru a bloca diferenţialul, rotiţi supapa spre roata care alunecă şi apăsaţi pedala de frână. Macaraua revine singura in pozitia de mijloc, sub actiunea unui arc de revenire; aceasta garanteaza fiabilitatea franelor in conditii normale.

Sistemele IDU pot fi utilizate pe un vehicul atât pe cont propriu, cât și împreună cu diverse sisteme de închidere reale. Lucrarea comună a ambelor sisteme poate fi construită atât pe o bază reciprocă, cât și pe o bază complementară. Potenţial, sistemul IBD poate fi utilizat pe maşini de orice tip. În comparație cu diferențiale blocate mecanic, IBD nu își pierde calitățile din funcționare, nu necesită ajustări și întreținere specială și nu necesită abilități speciale de conducere din partea șoferului.

Sistemele IDU nu sunt sisteme de control al tracțiunii în forma lor pură și, spre deosebire de acestea, IDU-urile nu afectează în niciun fel controlul motorului mașinii, ci rezolvă problema maximizării forței de tracțiune la nivelul puterii disponibile stabilite imperativ de șofer.

Diferenţial activ

Termenul înseamnă orice diferențial, al cărui dispozitiv vă permite să redistribuiți puterea / tracțiunea pe verigile antrenate în orice proporție necesară pentru un moment dat de mișcare. Aceasta este tocmai diferența dintre un diferențial activ și unul blocabil, în care controlul puterii pe legăturile antrenate este imposibil, în principiu, și este determinat doar de forțele de aderență. Toate diferențialele active au un sistem de control cu ​​două canale și în mod necesar două elemente de control - două frâne sau două ambreiaje - care sunt incluse în lucrul la comandă din surse externe. Toate diferențialele active, pe lângă angrenajul planetar principal, care îndeplinește funcțiile de distribuție liberă a puterii, au o pereche de angrenaje planetare sau simple suplimentare care îndeplinesc funcția de redistribuire a puterii în direcția lor. Fiecare dintre aceste transmisii pereche este asociată cu propriul său element de control. Deși diferențialele active nu au mecanisme de blocare, de fapt, toate diferențialele active sunt și blocabile, doar că au nu un mod de blocare simetric, ci două asimetrice (câte unul pentru fiecare dintre cele două părți). În aceste moduri, elementul de control al diferențialului funcționează fără alunecare internă, iar diferențialul în sine se transformă într-o schimbare în treaptă în treaptă ascendentă. La autoturismele cu diferențial activ, aceste moduri extreme pot să nu fie utilizate, dar sunt utilizate în mecanismele de întoarcere diferențială ale vehiculelor pe șenile.

Cazuri în care nu există diferențe într-o transmisie

Prezența diferenţialelor care împart puterea în transmisia unui vehicul de transport nu este necesară. Absența lor duce, fără îndoială, la o sarcină crescută asupra transmisiei și la o uzură crescută a roților, dar acest lucru fie este suportat, fie în ceea ce privește funcționarea prevăzută a unei anumite mașini, acest lucru nu contează. Un vehicul cu patru roți cu tracțiune pe două roți se poate face, în principiu, fără un diferențial - de exemplu, un kart , sau o mașină de curse cu tracțiune spate pentru curse pe suprafețe cu tracțiune redusă. În cazuri extraordinare, chiar și o mașină de curse asfaltată poate să nu aibă un diferențial (exemplu este Mazda 787B, câștigătoarea 24 de ore de la Le Mans din 1991 ). La o mașină cu tracțiune exclusivă, un diferențial între roți trebuie să fie obligatoriu, deoarece absența acestuia nu va permite virarea adecvată, indiferent de tipul de suprafață a drumului. În mașinile cu tracțiune integrală, este posibil să nu existe diferențe centrale și, din nou, fie acest lucru nu este important în ceea ce privește funcționarea mașinii (de exemplu, mașinile de curse WRC din 2012-2016), fie conducerea pe o astfel de mașină este permis numai pe suprafețe cu un coeficient de aderență scăzut (de exemplu, SUV-uri cu punte față conectată precum UAZ-469, GAZelle 4x4, Sable 4x4 sau Jeep Wrangler). Nu există diferențe pe mașinile de tracțiune ale transportului feroviar - pe locomotive electrice, locomotive diesel, trenuri electrice, vagoane de metrou. Roțile unei axe ale acestor mașini, datorită suprafeței conice a cercului benzii de rulare și creșterii lățimii ecartamentului pe arc, se pot îndepărta ușor de centrul căii de rulare și, prin urmare, oferă un diametru diferit în punctele de contact a rotii cu sina. În plus, roțile pot aluneca atunci când se deplasează într-un arc, în timp ce emit un sunet specific, care este parțial nivelat de panta șinei în curbe. Mecanismele separate pentru întoarcerea vehiculelor pe șenile pot face, de asemenea, fără diferențe în proiectarea lor - aici mișcarea mașinii de-a lungul unui arc este determinată fie de alunecarea ambreiajelor de frecare, fie, în general, mașina are doar câteva raze de rotație fixe. Nu există diferențe în velomobile, unde în loc de ele, de dragul reducerii costurilor și simplității, se folosesc clichete mai simple și mai accesibile ( ambreiaje de rulare ) în roți - o astfel de antrenare permite roților să se rotească pe axa motoare la diferite viteze, dar tracțiunea este transmisă doar roții care se rotește mai încet. Diferențialele pot să nu fie în tractoare cu mers în spate și în mecanizările la scară mică, unde absența lor este nivelată de o cale extrem de îngustă a roților axei motoare, anvelope ușor deformabile și un coeficient de aderență scăzut între roți și sol. De asemenea, diferenţialul poate fi absent la vehiculele electrice, care folosesc un motor pentru fiecare roată.

Vezi și

Note

  1. ↑ Vehiculul cu motor K.Newton W.Steeds TKGarrett Ediția a IX-a pp549-550

Link -uri