Дифференциал повышенного трения ( LSD ) — это тип дифференциальной передачи , которая позволяет двум выходным валам вращаться с разной скоростью, но ограничивает максимальную разницу между двумя валами. Дифференциалы повышенного трения часто известны под общим товарным знаком Positraction , торговой маркой, принадлежащей General Motors и изначально использовавшейся для автомобилей марки Chevrolet . [1]
В автомобиле такие дифференциалы повышенного трения иногда используются вместо стандартного дифференциала, обеспечивая определенные динамические преимущества за счет большей сложности.
В 1932 году Фердинанд Порше спроектировал гоночный автомобиль Гран-при для компании Auto Union . Высокая мощность конструкции приводила к тому, что одно из задних колес испытывало чрезмерную пробуксовку на любой скорости до 160 км/ч (100 миль/ч). В 1935 году Порше поручил инженерной фирме ZF разработать дифференциал повышенного трения для улучшения производительности. [ необходима цитата ] Стали доступны «скользящие штифты и кулачки» ZF, [2] и одним из примеров был Type B-70, использовавшийся во время Второй мировой войны в военных VW ( Kübelwagen и Schwimmwagen ), хотя технически это был не дифференциал повышенного трения, а система, состоящая из двух обгонных муфт , которая направляла всю мощность двигателя на более медленно вращающееся из двух колес. [3]
Дифференциалы повышенного трения были широко представлены американскими автопроизводителями в конце 1950-х годов и продавались под самыми разными торговыми наименованиями. В начале 1956 года Packard представила дифференциал повышенного трения сцепного типа под торговой маркой Twin Traction , продвигая его как средство помощи при вождении в суровую зимнюю погоду. [4] В 1957 году General Motors (GM) представила конкурирующую систему для автомобилей марки Chevrolet под названием Positraction . В течение нескольких лет другие американские автомобильные бренды представили похожие системы под разными названиями, включая Safe-T-Track для бренда GM Pontiac и Anti Spin для своего бренда Oldsmobile , в то время как Ford Motor Company представила Traction-Lok для автомобилей Ford и Directed Power для своих автомобилей Lincoln . [1] Chrysler приобрела блоки Power-Lok у Dana Incorporated и блоки Spin-Resistant у Borg-Warner , продавая оба под названием 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 стала общей торговой маркой в США для дифференциалов повышенного трения в целом. [1]
Главное преимущество дифференциала повышенного трения демонстрируется на примере стандартного (или «открытого») дифференциала в условиях бездорожья или снега, когда одно колесо начинает проскальзывать. В таком случае со стандартным дифференциалом проскальзывающее или не контактирующее колесо получит большую часть мощности (в виде вращения с низким крутящим моментом и высокими оборотами), в то время как контактирующее колесо останется неподвижным относительно земли. Крутящий момент, передаваемый открытым дифференциалом, всегда будет одинаковым на обоих колесах; если одна шина находится на скользкой поверхности, подаваемый крутящий момент легко преодолеет имеющееся сцепление при очень низком значении. Например, правая шина может начать вращаться, как только на нее будет подано 70 Н·м (50 фунт·фут) крутящего момента, поскольку она находится на ледяной поверхности. Поскольку на обоих колесах всегда ощущается один и тот же крутящий момент, независимо от скорости их вращения, это означает, что колесо с тягой не может получить более 70 Нм (50 фунт-фут) крутящего момента, что намного меньше, чем требуется для движения транспортного средства. Между тем, шина на скользкой поверхности будет просто вращаться, поглощая всю фактическую выходную мощность (которая является функцией крутящего момента, предоставляемого в ходе оборотов), даже если оба колеса получают одинаковый (очень низкий) крутящий момент. В этой ситуации дифференциал повышенного трения предотвращает распределение чрезмерной мощности на одно колесо и, таким образом, поддерживает оба колеса в силовом вращении. [6]
Преимущества LSD в мощных заднеприводных автомобилях были продемонстрированы в эпоху «Muscle-Car» в США с середины 1960-х до начала 1970-х годов. Автомобили этой эпохи обычно были заднеприводными и не имели независимой подвески для задних шин (вместо этого использовалась ведущая ось ). С ведущей осью, когда через дифференциал подается высокий крутящий момент, сцепление с дорогой на правой задней шине ниже, поскольку ось естественным образом стремится повернуться с помощью кручения приводного вала (но удерживается неподвижно, будучи прикрепленной к раме автомобиля). Это привело к появлению терминов «one wheel peel» (отрыв одного колеса) или «one tire fire» (пожар одной шины). Таким образом, «Muscle-Cars» с LSD или «posi» (позитивная тяга) имели явное преимущество перед своими аналогами с вращающимися колесами.
Механические дифференциалы повышенного трения считаются необходимыми для выполнения правильного дрифта . [7]
Как дифференциалы повышенного трения, так и открытые дифференциалы имеют зубчатую передачу, которая позволяет выходным валам вращаться с разной скоростью, при этом сумма их скоростей остается пропорциональной скорости входного вала.
Автомобильные дифференциалы повышенного трения имеют некоторый тип механизма, который прикладывает крутящий момент (внутренний по отношению к дифференциалу), который сопротивляется относительному движению выходных валов. Проще говоря, это означает, что у них есть некоторый механизм, который сопротивляется разнице скоростей между выходами, создавая сопротивляющийся крутящий момент либо между двумя выходами, либо между выходами и корпусом дифференциала. Существует много механизмов, используемых для создания этого сопротивляющегося крутящего момента. Типы дифференциалов повышенного трения обычно называются по типу сопротивляющегося механизма. Примерами являются вязкостные и основанные на сцеплении LSD. Величина ограничивающего крутящего момента, обеспечиваемая этими механизмами, зависит от конструкции.
Дифференциал повышенного трения имеет более сложное разделение крутящего момента и должен рассматриваться в случае, когда выходные сигналы вращаются с одинаковой скоростью и когда они вращаются с разной скоростью. Разница крутящего момента между двумя осями называется Trq d . [8] (В этой работе она называется Trq f для крутящего момента трения [9] ). Trq d — это разница крутящего момента, передаваемого на левое и правое колесо. Величина Trq d исходит от механизма ограничения проскальзывания в дифференциале и может быть функцией входного крутящего момента (как в случае зубчатого дифференциала) или разницы выходных скоростей (как в случае вязкостного дифференциала).
Крутящий момент, подаваемый на выходы, составляет:
При движении по прямой, когда одно колесо начинает пробуксовывать (и вращаться быстрее, чем колесо с тягой), крутящий момент на пробуксовывающем колесе уменьшается ( Trq 2 ) и передается на более медленное колесо ( Trq 1 ).
В случае, когда автомобиль поворачивает и ни одно из колес не проскальзывает, внутреннее колесо будет вращаться медленнее внешнего. В этом случае внутреннее колесо получит больший крутящий момент, чем внешнее колесо, 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 каждом колесе статически неопределен , но находится в диапазоне ½ Trq in ±( ½ Trq d ) .
В легковых автомобилях обычно используются несколько типов LSD.
В этом дифференциале максимальная разность крутящего момента между двумя выходами, Trq d , является фиксированным значением в любое время независимо от крутящего момента, подаваемого на дифференциал, или разности скоростей между двумя выходами. Обычно в этом дифференциале используются подпружиненные узлы сцепления.
В этих дифференциалах повышенного трения используются косозубые шестерни, муфты или конусы (альтернативный тип муфты), где сила зацепления шестерен или муфты является функцией входного крутящего момента, приложенного к дифференциалу (по мере того, как двигатель прикладывает больший крутящий момент, шестерни или муфты сцепляются сильнее, и Trq d увеличивается).
Чувствительные к крутящему моменту LSD реагируют на крутящий момент приводного вала, так что чем больше входной крутящий момент приводного вала, тем сильнее прижимаются муфты, конусы или шестерни, и, таким образом, тем плотнее ведущие колеса соединены друг с другом. Некоторые включают подпружинивание, чтобы обеспечить небольшой крутящий момент, так что при небольшом или нулевом входном крутящем моменте (задний дроссель/коробка передач в нейтральном положении/главное сцепление нажато) ведущие колеса минимально соединены. Величина предварительной нагрузки (следовательно, статическая связь) на муфтах или конусах зависит от общего состояния (износа) и от того, насколько плотно они нагружены.
Тип сцепления имеет набор тонких дисков сцепления, половина из которых соединена с одним из приводных валов, другая половина из которых соединена с держателем шестерни крестовины. Наборы сцепления могут присутствовать на обоих приводных валах или только на одном. Если только на одном, оставшийся приводной вал соединен с приводным валом сцепления через шестерни крестовины. В конусном типе сцепления заменены парой конусов, которые сжимаются вместе, достигая того же эффекта.
Одним из методов создания зажимного усилия является использование сборки кулачково-рампового типа, например, используемой в LSD в стиле Salisbury/ramp. Шестерни-пауки устанавливаются на поперечном валу шестерни, который опирается на угловые вырезы, образующие кулачковые рампы. Кулачковые рампы не обязательно симметричны. Если рампы симметричны, LSD является 2-сторонним. Если они имеют зубья пилы (т. е. одна сторона рампы вертикальна), LSD является 1-сторонним. Если обе стороны наклонные, но асимметричны, LSD является 1,5-сторонним.
Альтернативой является использование естественной силы разделения зубьев шестерен для нагрузки сцепления. Примером может служить межосевой дифференциал Audi Quattro RS 5 2011 года. [10]
Поскольку входной крутящий момент приводного вала пытается повернуть центр дифференциала, внутренние нажимные кольца (примыкающие к пакету сцепления) смещаются вбок поперечным валом шестерни, пытающимся подняться по пандусу, что сжимает пакет сцепления. Чем больше сжимается пакет сцепления, тем больше сцепляются колеса. Сопряжение вертикальных поверхностей рампы (80–85° на практике, чтобы избежать сколов) в одностороннем LSD на перебеге не создает эффекта кулачка или соответствующего сжатия пакета сцепления.
В общем, существует три состояния входного крутящего момента: нагрузка, отсутствие нагрузки и превышение скорости. В условиях нагрузки, как уже говорилось ранее, сцепление пропорционально входному крутящему моменту. При отсутствии нагрузки сцепление уменьшается до статического сцепления. Поведение при превышении скорости (особенно резкое отпускание дроссельной заслонки) определяет, является ли LSD односторонним, полуторасторонним или двухсторонним.
Двухсторонний дифференциал будет иметь одинаковый предельный крутящий момент Trq d как в прямом, так и в обратном направлении. Это означает, что дифференциал будет обеспечивать определенный 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 наезжает на неровность с дифференциалом под нагрузкой, воздушное колесо не будет свободно вращаться и заставит транспортное средство потерять сцепление, когда вращающееся колесо снова коснется земли. [4]
Односторонний дифференциал будет обеспечивать свое ограничивающее действие только в одном направлении. Когда крутящий момент прикладывается в противоположном направлении, он ведет себя как открытый дифференциал. В случае автомобиля с передним приводом утверждается, что он безопаснее, чем двухсторонний дифференциал. [11] Аргумент заключается в том, что если нет дополнительной связи при превышении скорости, то есть одностороннего LSD, как только водитель поднимает дроссельную заслонку, LSD разблокируется и ведет себя как обычный открытый дифференциал. Это также лучший вариант для автомобилей с передним приводом, так как он позволяет автомобилю поворачивать при отпускании дроссельной заслонки, вместо того, чтобы нестись вперед. [11]
1,5-ходовой дифференциал относится к дифференциалу, в котором ограничивающие крутящие моменты вперед и назад, Trq d_fwd, d_rev , различны, но ни один из них не равен нулю, как в случае 1-ходового LSD. Этот тип дифференциала распространен в гоночных автомобилях, где сильный ограничивающий крутящий момент может способствовать устойчивости при торможении двигателем.
Механические дифференциалы повышенного трения с зубчатой передачей, чувствительные к крутящему моменту, используют червячные передачи и цилиндрические шестерни для распределения и дифференциации входной мощности между двумя ведущими колесами или передней и задней осями. Это совершенно отдельная конструкция от наиболее распространенных конструкций конических зубчатых передач, которые можно увидеть в большинстве автомобильных приложений. Когда крутящий момент прикладывается к шестерням, они прижимаются к стенкам корпуса дифференциала, создавая трение. Трение препятствует относительному перемещению выходов и создает предельный крутящий момент Trq d .
В отличие от других конструкций LSD на основе трения, которые объединяют обычный дифференциал с крестовиной «открытого» типа в сочетании с подпружиненными фрикционными компонентами, которые препятствуют дифференциации, конструкция с датчиком смещения крутящего момента заложена в его конструкцию, а не как дополнение, но все еще является типом LSD. Результатом является дифференциал, который не застревает, как некоторые типы LSD и блокирующиеся, но все еще обеспечивает повышенную подачу мощности во многих дорожных условиях.
Вот несколько примеров:
Чувствительные к скорости дифференциалы ограничивают разницу крутящего момента между выходами, Trq d , на основе разницы в скорости между двумя выходными валами. Таким образом, при небольшой разнице в выходной скорости поведение дифференциала может быть очень близким к открытому дифференциалу. По мере увеличения разницы в скорости увеличивается предельный крутящий момент. Это приводит к разному динамическому поведению по сравнению с чувствительным к моменту дифференциалом.
Вязкостный тип , как правило, проще, поскольку он основан на гидродинамическом трении жидкостей с высокой вязкостью . Часто используются масла на основе силикона . Здесь цилиндрическая камера жидкости, заполненная стопкой перфорированных дисков, вращается с нормальным движением выходных валов. Внутренняя поверхность камеры соединена с одним из приводных валов, а внешняя — с держателем дифференциала. Половина дисков соединена с внутренней, другая половина — с внешней, чередуя внутреннюю/внешнюю часть в стопке. Дифференциальное движение заставляет чередующиеся диски двигаться через жидкость друг против друга. В некоторых вязкостных муфтах при поддержании скорости жидкость будет накапливать тепло из-за трения. Это тепло заставит жидкость расширяться и расширять муфту, заставляя диски стягиваться, что приводит к невязкому трению пластины о пластину и резкому падению разницы скоростей. Это известно как явление горба, и оно позволяет стороне муфты мягко заблокироваться. В отличие от механического типа, ограничивающее действие гораздо мягче и более пропорционально скольжению, и поэтому с ним легче справиться среднему водителю. New Process Gear использовала вязкостную муфту в стиле Ferguson в нескольких своих раздаточных коробках, включая те, которые используются в AMC Eagle .
Вязкостные LSD менее эффективны, чем механические типы, то есть они «теряют» часть мощности. В частности, любая постоянная нагрузка, которая перегревает силикон, приводит к внезапной постоянной потере дифференциального эффекта. [18] У них есть достоинство изящно выходить из строя, возвращаясь к поведению полуоткрытого дифференциала. Обычно вискозиметрический дифференциал, прошедший 60 000 миль (97 000 км) или более, будет функционировать в основном как открытый дифференциал. Силиконовое масло запечатано на заводе в отдельной камере от трансмиссионного масла, окружающего остальную часть дифференциала. Это не подлежит обслуживанию; когда поведение дифференциала ухудшается, центр VLSD необходимо заменить.
Этот тип дифференциала повышенного трения работает с использованием героторного насоса для гидравлического сжатия сцепления для передачи крутящего момента на колесо, которое вращается медленнее. Героторный насос использует носитель или клетку дифференциала для привода внешнего ротора насоса и один вал оси для привода внутреннего ротора. Когда есть разница между скоростью левого и правого колес, насос нагнетает давление в гидравлической жидкости, заставляя сцепление сжиматься, тем самым заставляя крутящий момент передаваться на колесо, которое вращается медленнее. Эти основанные на насосе системы имеют нижний и верхний пределы приложенного давления, что позволяет дифференциалу работать как обычный или открытый дифференциал до тех пор, пока не будет значительной разницы в скорости между правым и левым колесом, и внутреннее демпфирование для предотвращения гистерезиса . Новейшая система на основе героторного насоса имеет регулируемый компьютером выход для большей универсальности и отсутствия колебаний. [ необходима цитата ]
Электронный дифференциал повышенного трения обычно имеет планетарный или конический набор шестерен, аналогичный таковому в открытом дифференциале, и пакет сцепления, аналогичный таковому в чувствительном к крутящему моменту или дифференциале на основе героторного насоса. В электронном блоке усилие зажима на сцеплении контролируется извне компьютером или другим контроллером. Это позволяет контролировать предельный крутящий момент дифференциала, Trq d , как часть общей системы управления шасси. Примером такого типа дифференциала является DCCD от Subaru, используемый в Subaru WRX STi. [19] Система полного привода Jeep Quadra-Drive II , выпускаемая с 2005 года, использует этот тип дифференциала. [20] Другим примером является система Porsche PSD, используемая в Porsche 928. Дополнительным примером является SAAB XWD ( Haldex Generation 4) с eLSD, который использует общий (электронно управляемый через компьютерную сеть транспортного средства) гидравлический блок питания для управления как продольной, так и поперечной передачей крутящего момента системы XWD. [21] Та же система Haldex используется в 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 тормозной системы (ABS), акселерометры и микрокомпьютеры для электронного контроля пробуксовки колес и движения транспортного средства. Когда система управления шасси определяет, что колесо пробуксовывает, компьютер применяет тормоза к этому колесу. Существенное различие между системами дифференциала повышенного трения, перечисленными выше, и этой системой на основе тормозов заключается в том, что системы на основе тормозов по своей сути не передают больший крутящий момент на более медленное колесо, а также дополнительный износ фрикционного материала тормоза, который возникает в результате использования такой системы, если транспортное средство движется в среде, где система на основе тормозов будет активироваться на регулярной основе.
Электронный дифференциал повышенного трения BMW , используемый в F10 5 серии, является примером такой системы. Другой пример начался в первый год (1992) производства рестайлинговой и новой модели Ford Crown Victoria 4.6L V-8 с верхним распредвалом и ее опциональной антиблокировочной системой тормозов. Эта опция была доступна в Crown Victoria 1992 года и далее; на тех автомобилях, которые были оснащены антиблокировочной системой тормозов.
В песне « 409 » группы The Beach Boys упоминается наличие дифференциала повышенного трения: «...Мой четырёхскоростной, двухквадровый, 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, в значительной степени опирается на фотографию следов шин, оставленных автомобилем с дифференциалом повышенного трения, который (как заявляет персонаж Марисы Томей в своей знаменитой игре, удостоенной премии «Оскар ») «не был доступен на Buick Skylark 64 года » [22] , автомобиле, которым управляли обвиняемые. Она утверждает, что доказательства скорее доказывают, что автомобилем для побега был Pontiac Tempest 1963 года , который предлагал опциональный дифференциал повышенного трения Safe-T-Track (версия Positraction от Pontiac).
Возможно, кого-то удивит, что это указано первым, но правильный механический дифференциал повышенного трения абсолютно необходим для дрифта.
...возможность почти полностью открыть ведущие колеса при замедлении. В сценарии с мощным передним приводом, где крутящий момент является постоянным врагом, этот подход [1 way LSD] имеет некоторые определенные преимущества.
... используемый гель может довольно внезапно измениться под воздействием высокой температуры и потерять способность генерировать передачу крутящего момента.