Дифференциал повышенного трения ( LSD ) — это тип дифференциальной зубчатой передачи , которая позволяет двум выходным валам вращаться с разными скоростями, но ограничивает максимальную разницу между двумя валами. Дифференциалы повышенного трения часто известны под общей торговой маркой Positraction , торговой маркой, принадлежащей General Motors и первоначально использовавшейся для автомобилей марки Chevrolet . [1]
В автомобиле такие дифференциалы повышенного трения иногда используются вместо стандартного дифференциала, где они обеспечивают определенные динамические преимущества за счет большей сложности.
В 1932 году Фердинанд Порше разработал для компании Auto Union гоночный автомобиль Гран-при . Высокая мощность конструкции приводила к тому, что одно из задних колес испытывало чрезмерную пробуксовку на любой скорости до 160 км/ч (100 миль в час). В 1935 году компания Porsche поручила инженерной фирме ZF разработать дифференциал повышенного трения для повышения производительности. [ нужна цитата ] Стали доступны «скользящие штифты и кулачки» ZF, [2] и одним из примеров был Тип B-70, использовавшийся во время Второй мировой войны в военных автомобилях VW ( Kübelwagen и Schwimmwagen ), хотя технически это не было ограниченным тиражом. Дифференциал повышенного трения, а система, состоящая из двух свободных колес , которая передает всю мощность двигателя на более медленное вращение двух колес. [3]
Дифференциалы повышенного трения были широко представлены американскими автопроизводителями в конце 1950-х годов и продавались под множеством торговых марок. В начале 1956 года компания Packard представила самоблокирующийся дифференциал сцепления под торговой маркой Twin Traction , рекламируя его как средство помощи при вождении в суровую зимнюю погоду. [4] В 1957 году компания General Motors (GM) представила конкурирующую систему для автомобилей марки Chevrolet под названием Positraction . В течение нескольких лет другие американские автомобильные бренды представили аналогичные системы под разными названиями, в том числе Safe-T-Track для бренда GM Pontiac и Anti Spin для бренда Oldsmobile , а компания Ford Motor Company представила Traction-Lok для автомобилей Ford и Directed. Мощность для автомобилей Lincoln . [1] Компания Chrysler приобрела блоки Power-Lok у Dana Incorporated и блоки Spin-Resistant у Borg-Warner , продавая их под маркой Sure-Grip [5] на автомобилях Chrysler, Dodge и Plymouth . Дифференциалы повышенного трения стали очень популярными и востребованными в эпоху маслкаров в 1960-х и 1970-х годах. [1] Несмотря на множество маркетинговых названий, используемых конкурирующими брендами, популярность автомобилей Chevrolet привела к тому, что Positraction стал в США общей торговой маркой для дифференциалов повышенного трения в целом. [1]
Основное преимущество самоблокирующегося дифференциала демонстрируется на примере стандартного (или «открытого») дифференциала в условиях бездорожья или снега, когда одно колесо начинает буксовать. В таком случае со стандартным дифференциалом скользящее или неконтактирующее колесо получит большую часть мощности (в виде вращения с низким крутящим моментом и высокой частотой вращения), в то время как контактное колесо останется неподвижным по отношению к земле. . Крутящий момент , передаваемый открытым дифференциалом, всегда будет одинаковым на обоих колесах; если одна шина находится на скользкой поверхности, подаваемый крутящий момент легко преодолеет доступное сцепление с дорогой при очень небольшом числе. Например, правая шина может начать вращаться, как только на нее будет приложен крутящий момент 70 Нм (50 фунт-фут), поскольку она находится на ледяной поверхности. Поскольку на обоих колесах всегда ощущается одинаковый крутящий момент, независимо от скорости их вращения, это означает, что колесо с тягой также не может получить крутящий момент более 70 Нм (50 фунт-фут), что гораздо меньше, чем требуется для перемещения автомобиля. Между тем, шина на скользкой поверхности будет просто вращаться, поглощая всю фактическую выходную мощность (которая является функцией крутящего момента, создаваемого в ходе оборотов), даже несмотря на то, что оба колеса обеспечивают одинаковый (очень низкий) крутящий момент. В этой ситуации дифференциал повышенного трения предотвращает передачу чрезмерной мощности на одно колесо и, таким образом, поддерживает вращение обоих колес. [6]
Преимущества ЛСД в мощных заднеприводных автомобилях были продемонстрированы в эпоху «мускул-каров» в США с середины 1960-х до начала 1970-х годов. Автомобили той эпохи обычно были заднеприводными и не имели независимой подвески задних колес (вместо этого использовался ведущий мост ). При использовании ведущего моста, когда через дифференциал передается высокий крутящий момент, тяга на правом заднем колесе снижается, поскольку ось естественным образом стремится вращаться под действием кручения ведущего вала (но удерживается в неподвижном состоянии за счет крепления к раме автомобиля). . Это привело к появлению терминов «отслоение одного колеса» или «возгорание одной шины». Таким образом, «масл-кары» с ЛСД или «пози» (позитракция) имели явное преимущество перед своими колесными аналогами.
Механические дифференциалы повышенного трения считаются необходимыми для правильного заноса . [7]
Как дифференциалы повышенного трения, так и открытые дифференциалы имеют зубчатую передачу, которая позволяет выходным валам вращаться с разными скоростями, сохраняя при этом сумму их скоростей, пропорциональную скорости входного вала.
Автомобильные дифференциалы повышенного трения имеют некоторый тип механизма, который прилагает крутящий момент (внутренний к дифференциалу), который сопротивляется относительному движению выходных валов. Проще говоря, это означает, что у них есть некий механизм, который противодействует разнице скоростей между выходами, создавая противодействующий момент либо между двумя выходами, либо между выходами и корпусом дифференциала. Существует множество механизмов, используемых для создания этого противодействующего крутящего момента. Типы самоблокирующихся дифференциалов обычно называются по типу механизма сопротивления. Примеры включают вязкостные LSD и LSD на основе сцепления. Величина ограничивающего крутящего момента, обеспечиваемая этими механизмами, зависит от конструкции.
Дифференциал повышенного трения имеет более сложное распределение крутящего момента и его следует учитывать в случае, когда выходы вращаются с одинаковой скоростью, а также при вращении с разными скоростями. Разница крутящего момента между двумя осями называется Trq d . [8] (В данной работе оно называется Trq f для крутящего момента трения [9] ). Trq d — разница крутящего момента, передаваемого на левое и правое колесо. Величина Trq d исходит из механизма ограничения проскальзывания в дифференциале и может быть функцией входного крутящего момента (как в случае с зубчатым дифференциалом) или разницы в выходных скоростях (как в случае вязкостного дифференциала). ).
Крутящий момент, передаваемый на выходы, равен:
При движении по прямой, когда одно колесо начинает буксовать (и вращаться быстрее, чем колесо с тягой), крутящий момент снижается на буксующем колесе ( Trq 2 ) и передается на более медленное колесо ( Trq 1 ).
В случае, когда автомобиль поворачивает и ни одно из колес не пробуксовывает, внутреннее колесо будет вращаться медленнее, чем внешнее. В этом случае внутреннее колесо получит больший крутящий момент, чем внешнее, что может привести к недостаточной поворачиваемости. [9]
Когда оба колеса вращаются с одинаковой скоростью, распределение крутящего момента на каждое колесо равно:
Это означает, что максимальный крутящий момент на любом колесе статически не определен , но находится в диапазоне ½ Trq в ±(½ Trq d ) .
В легковых автомобилях обычно используются несколько типов ЛСД.
В этом дифференциале максимальная разница крутящего момента между двумя выходами, Trq d , всегда является фиксированным значением, независимо от входного крутящего момента в дифференциал или разницы скоростей между двумя выходами. Обычно в этом дифференциале используются подпружиненные узлы сцепления.
В этих дифференциалах повышенного трения используются косозубые шестерни, сцепления или конусы (альтернативный тип сцепления), где сила зацепления шестерен или сцепления является функцией входного крутящего момента, приложенного к дифференциалу (поскольку двигатель прикладывает больший крутящий момент, шестерни или сцепления захват сильнее, и Trq d увеличивается).
LSD, чувствительные к крутящему моменту, реагируют на крутящий момент карданного вала, поэтому чем больше входной крутящий момент карданного вала, тем сильнее прижаты друг к другу муфты, конусы или шестерни и, следовательно, тем теснее ведущие колеса связаны друг с другом. Некоторые включают в себя подпружинивание, чтобы обеспечить небольшой крутящий момент, так что при небольшом входном крутящем моменте или его отсутствии (ведомый дроссель/коробка передач в нейтральном положении/главное сцепление нажато) ведущие колеса минимально связаны. На величину предварительной нагрузки (следовательно, статической муфты) муфт или конусов влияет общее состояние (износ) и степень их нагрузки.
Тип сцепления состоит из набора тонких дисков сцепления, половина из которых соединена с одним из приводных валов, а другая половина - с водилом крестовины. Пакеты сцепления могут присутствовать на обоих приводных валах или только на одном. Если только один, оставшийся приводной вал соединен с приводным валом со сцеплением через крестовину. В конусном типе муфты заменены парой конусов, которые прижимаются друг к другу, достигая того же эффекта.
Одним из методов создания зажимной силы является использование узла кулачка с пандусом, например, используемого в LSD в стиле Солсбери/рампы. Крестовины установлены на поперечном валу ведущей шестерни, который опирается на наклонные вырезы, образующие кулачковые наклоны. Закругленные пандусы не обязательно симметричны. Если пандусы симметричны, LSD является двухсторонним. Если они зубчатые (т.е. одна сторона рампы вертикальная), LSD является односторонним. Если обе стороны наклонены, но асимметричны, LSD имеет 1,5-стороннее направление.
Альтернативой является использование естественной силы разделения зубьев шестерни для нагрузки сцепления. Примером может служить межосевой дифференциал Audi Quattro RS 5 2011 года выпуска. [10]
Когда входной крутящий момент карданного вала пытается повернуть центр дифференциала, внутренние нажимные кольца (примыкающие к блоку сцепления) смещаются в сторону поперечным валом шестерни, пытаясь подняться по наклонной плоскости, что сжимает пакет сцепления. Чем сильнее сжимается пакет сцепления, тем сильнее сцеплены колеса. Сопряжение поверхностей вертикального наклона (на практике 80–85 °, чтобы избежать сколов) в одностороннем LSD при выбеге не приводит к эффекту кулачка или соответствующему сжатию пакета сцепления.
Вообще говоря, существует три состояния входного крутящего момента: нагрузка, отсутствие нагрузки и превышение скорости. Как указывалось ранее, в условиях нагрузки муфта пропорциональна входному крутящему моменту. Без нагрузки муфта сводится к статической. Поведение при превышении скорости (особенно резкое отпускание дроссельной заслонки) определяет, будет ли LSD односторонним, 1,5-сторонним или 2-сторонним.
Двухходовой дифференциал будет иметь одинаковый предельный крутящий момент Trq d как в прямом, так и в обратном направлении. Это означает, что дифференциал будет обеспечивать некоторый уровень ограничивающего действия при торможении двигателем. Ранний блок Packard Twin Traction был разработан для работы таким образом, что было предложено для обеспечения другого преимущества: если одно заднее ведущее колесо на мгновение отрывается от земли, когда оно ударяется о неровность дифференциала под нагрузкой, бортовое колесо не будет свободно вращаться. и привести к потере сцепления автомобиля с дорогой, когда вращающееся колесо снова коснется земли. [4]
Односторонний дифференциал обеспечивает ограничивающее действие только в одном направлении. Когда крутящий момент прикладывается в противоположном направлении, он ведет себя как открытый дифференциал. Утверждается, что в случае автомобиля с передним приводом он безопаснее, чем двухсторонний дифференциал. [11] Аргумент заключается в том, что если нет дополнительной муфты при превышении скорости, то есть одностороннего LSD, как только водитель поднимает дроссельную заслонку, LSD разблокируется и ведет себя примерно как обычный открытый дифференциал. Это также лучше всего подходит для автомобилей с передним приводом, поскольку позволяет автомобилю поворачивать при отпускании дроссельной заслонки, а не двигаться вперед. [11]
Под 1,5-ходовым дифференциалом понимается тот, в котором предельные крутящие моменты вперед и назад, Trq d_fwd, d_rev , различны, но ни один из них не равен нулю, как в случае с 1-ходовым LSD. Этот тип дифференциала распространен в гоночных автомобилях, где сильный ограничивающий крутящий момент может способствовать устойчивости при торможении двигателем.
Механические самоблокирующиеся дифференциалы с зубчатой передачей , чувствительные к крутящему моменту, используют червячные и прямозубые передачи для распределения и дифференциации входной мощности между двумя ведущими колесами или передней и задней осями. Это совершенно отдельная конструкция от наиболее распространенных конструкций конических крестовин, встречающихся в большинстве автомобильных применений. Когда к шестерням прикладывается крутящий момент, они прижимаются к стенкам корпуса дифференциала, создавая трение. Трение сопротивляется относительному перемещению выводов и создает ограничивающий крутящий момент Trq d .
В отличие от других конструкций LSD, основанных на трении, которые сочетают в себе обычный «открытый» дифференциал крестовины в сочетании с фрикционными материалами, которые препятствуют дифференциалу, конструкция измерения крутящего момента представляет собой уникальный тип дифференциала, в котором смещение крутящего момента заложено в его конструкции, а не как дополнение. на. Смещение крутящего момента применяется только при необходимости и не препятствует дифференциации. В результате получается настоящий дифференциал, который не застревает, как LSD и блокирующиеся типы, но при этом обеспечивает повышенную подачу мощности во многих дорожных условиях.
Примеры включают в себя:
Чувствительные к скорости дифференциалы ограничивают разницу крутящего момента между выходами, Trq d , на основе разницы в скорости между двумя выходными валами. Таким образом, при небольших различиях в выходной скорости поведение дифференциала может быть очень близким к открытому дифференциалу. По мере увеличения разницы скоростей предельный момент увеличивается. Это приводит к другому динамическому поведению по сравнению с дифференциалом, чувствительным к крутящему моменту.
Вязкий тип обычно проще, поскольку он основан на гидродинамическом трении жидкостей с высокой вязкостью . Часто используются масла на основе силикона . Здесь цилиндрическая камера с жидкостью, заполненная пакетом перфорированных дисков, вращается при нормальном движении выходных валов. Внутренняя поверхность камеры соединена с одним из карданных валов, а внешняя - с корпусом дифференциала. Половина дисков подключена к внутреннему, другая половина — к внешнему, чередуя внутренний/внешний в стопке. Дифференциальное движение заставляет чередующиеся диски двигаться в жидкости друг против друга. В некоторых вискомуфтах при поддержании скорости жидкость накапливает тепло из-за трения. Это тепло приведет к расширению жидкости и расширению муфты, что приведет к сближению дисков, что приведет к невязкому трению между пластинами и резкому падению разницы скоростей. Это явление известно как «горб» и позволяет боковой части муфты мягко зафиксироваться. В отличие от механического типа, ограничительное действие гораздо мягче и пропорциональнее пробуксовке, поэтому среднестатистическому водителю с ним легче справиться. Компания New Process Gear использовала вискомуфту типа Фергюсона в нескольких своих раздаточных коробках, включая те, что использовались в AMC Eagle .
Вязкие ЗСД менее эффективны, чем механические, то есть «теряют» часть мощности. В частности, любая продолжительная нагрузка, приводящая к перегреву силикона, приводит к внезапной и постоянной потере дифференциального эффекта. [18] У них есть то достоинство, что они изящно терпят неудачу, возвращаясь к полуоткрытому дифференциальному поведению. Обычно виско-дифференциал, проехавший 60 000 миль (97 000 км) или более, будет функционировать в основном как открытый дифференциал. Силиконовое масло запечатано на заводе в камере, отдельной от трансмиссионного масла, окружающей остальную часть дифференциала. Это непригодно для использования; при ухудшении поведения дифференциала необходимо заменить центр VLSD.
Дифференциал повышенного трения этого типа работает за счет использования героторного насоса для гидравлического сжатия сцепления и передачи крутящего момента на колесо, которое вращается медленнее. Героторный насос использует корпус или клетку дифференциала для привода внешнего ротора насоса и одну полуось для привода внутреннего ротора. Когда существует разница между скоростью левого и правого колеса, насос создает давление в гидравлической жидкости, вызывая сжатие сцепления, тем самым вызывая передачу крутящего момента на колесо, которое вращается медленнее. Эти насосные системы имеют нижний и верхний пределы приложенного давления, что позволяет дифференциалу работать как обычный или открытый дифференциал до тех пор, пока не возникнет значительная разница в скорости между правым и левым колесом, а также внутреннее демпфирование, позволяющее избежать гистерезиса . Новейшая система на основе героторного насоса имеет выходную мощность, регулируемую компьютером, что обеспечивает большую универсальность и отсутствие колебаний. [ нужна цитата ]
Дифференциал повышенного трения с электронным управлением обычно имеет планетарную или коническую передачу, аналогичную той, что используется в открытом дифференциале, и пакет сцепления, аналогичный тому, который используется в дифференциале, чувствительном к крутящему моменту, или дифференциале на основе героторного насоса. В электронном блоке усилие зажима сцепления контролируется извне компьютером или другим контроллером. Это позволяет управлять предельным крутящим моментом дифференциала, Trq d , как часть общей системы управления шасси. Примером дифференциала такого типа является DCCD Subaru, используемый в Subaru WRX STi. [19] В системе полного привода Jeep Quadra-Drive II , выпускаемой начиная с 2005 года, используется дифференциал этого типа. [20] Другим примером является система Porsche PSD, используемая на Porsche 928 . Дополнительным примером является SAAB XWD ( Haldex поколения 4) с eLSD, в котором используется общий (с электронным управлением через компьютерную сеть автомобиля) гидравлический силовой агрегат для управления как продольной, так и поперечной передачей крутящего момента системы XWD. [21] Та же система Haldex используется на нескольких других автомобилях на базе GM Epsilon, таких как Cadillac SRX и т. д.
Эти системы являются альтернативой традиционному дифференциалу повышенного трения. Системы используют различные датчики шасси, такие как датчики скорости, датчики антиблокировочной системы тормозов (ABS), акселерометры и микрокомпьютеры для электронного контроля пробуксовки колес и движения автомобиля. Когда система управления шасси определяет, что колесо пробуксовывает, компьютер затормаживает это колесо. Существенная разница между перечисленными выше системами самоблокирующегося дифференциала и этой системой на основе тормоза заключается в том, что системы на основе тормоза по своей сути не передают больший крутящий момент на более медленное колесо, а также дополнительный износ фрикционного материала тормоза, который возникает в результате использования такую систему, если автомобиль движется в условиях, когда тормозная система активируется регулярно.
Электронный самоблокирующийся дифференциал BMW, используемый на F10 5-й серии, является примером такой системы . Другой пример начался в первый год (1992) производства обновленной модели Ford Crown Victoria с верхним распредвалом объемом 4,6 л и двигателем V8 с опциональной антиблокировочной системой тормозов. Эта опция была доступна на Crown Victoria 1992 года выпуска; на автомобилях, оборудованных антиблокировочной системой тормозов.
В песне The Beach Boys « 409 » в тексте упоминается наличие самоблокирующегося дифференциала: «...Моя четырехскоростная двухквадрокоптерная коробка Positraction 4-0-9 (4-0-9, 4- 0-9)».
В фильме 1992 года «Мой кузен Винни» доказательство невиновности двух молодых людей, ложно обвиненных в убийстве, во многом опирается на фотографию следов шин, оставленных автомобилем с самоблокирующимся дифференциалом, который (как знаменито заявляет персонаж Марисы Томей) в спектакле, получившем «Оскар ») «не было на Buick Skylark 1964 года », [22] автомобиле, которым управляли обвиняемые. Она утверждает, что доказательства, скорее, доказывают, что автомобилем для побега был Pontiac Tempest 1963 года выпуска, который действительно предлагал дополнительный дифференциал повышенного трения Safe-T-Track (версия Pontiac Positraction).
Некоторых может удивить, увидев это в списке первым, но правильный механический дифференциал повышенного трения абсолютно необходим для дрифта.
...возможность запускать ведущие колеса почти полностью открытыми при замедлении. В сценарии с мощным передним приводом, где крутящий момент является постоянным врагом, этот подход [односторонний LSD] имеет некоторые определенные преимущества.
...используемый гель может внезапно измениться при высокой температуре и потерять способность передавать крутящий момент.