1.Wstęp
Mechanizm różnicowy w pojazdach ma za zadanie kompensację różnicy prędkości obrotowej półosi kół osi napędowej podczas pokonywania przez nie torów o różnych długościach, w przypadku pojazdów z napędem na więcej niż jedną oś może występować także dodatkowy centralny (międzyosiowy) mechanizm różnicowy w skrzyni rozdzielczej kompensujący różnicę prędkości obrotowej pomiędzy osiami napędowymi. Zapobiega to wytwarzaniu się zbędnych naprężeń w układzie przeniesienia napędu, które przyczyniają się do szybszego zużycia opon, przekładni, zwiększenia spalania paliwa, oraz mogą prowadzić do ukręcenia półosi. Zjawisko to występuje głównie podczas pokonywania zakrętów, jazdy po nierównym terenie.
Działanie klasycznego mechanizmu różnicowego polega na przekazywaniu jednakowego momentu obrotowego na oba koła niezależnie od napotykanego oporu. W efekcie to koło, które ma mniejsze opory toczenia może obracać się szybciej od koła, które wymaga większego momentu do jego poruszenia. Suma prędkości obrotowej kół jest jednak zawsze dwukrotnie większa od prędkości obrotowej wału napędowego połączonego z mechanizmem różnicowym (przy założeniu, że przełożenie w tym mechanizmie wynosi 1:1 - jeśli nie, to dodatkowo trzeba pomnożyć prędkość obrotową wchodzącą do mechanizmu przez jego przełożenie).
Jak łatwo zauważyć, można dopuścić do sytuacji, gdy jedno z kół będzie obracało się podwojoną prędkością wału napędowego, zaś drugie będzie zatrzymane. W dodatku do takiej sytuacji można łatwo doprowadzić w momencie, gdy jedno z kół będzie miało mniejszą przyczepność, bądź nie będzie dotykać nawierzchni, co znacznie zmniejsza mobilność pojazdów z dyferencjałami w trudnym terenie, bądź na śliskiej nawierzchni. Aby temu zapobiec powszechnie stosuje się mechanizmy różnicowe o zwiększonym oporze, które przenoszą większą część momentu obrotowego na koło o większym oporze toczenia.
Pojazdy terenowe są w zamian wyposażane w blokady mechanizmów różnicowych, które powodują, że po ich zablokowaniu pojazd zachowuje się jakby miał sztywną oś. Trzeba jednak pamiętać o tym, że blokady służą tylko jako ostatnia deska ratunku i dłuższa jazda z zablokowanymi dyferencjałami w szczególności po twardym podłożu może prowadzić do ich uszkodzenia. Obecnie coraz częściej zamiast blokować mechanizm różnicowy przyhamowuje się koło na którym moment obrotowy jest tracony. Odpowiedzialny za to jest system ASR.
Główne typy mechanizmów różnicowych, stosowanych obecnie w motoryzacji:
-z kołami zębatymi stożkowymi,
-z przekładnią planetarną,
-ślimakowe , TORSEN
TORSEN
TorSen - samoblokujący się mechanizm różnicowy, szczególna odmiana szpery montowana w samochodach dla optymalnego rozdzielenia momentu obrotowego pomiędzy oś przednią i tylną lub między koła jednej osi. Nazwa TORSEN pochodzi od angielskich słów TORque - moment i SENsing - wyczucie.
Rodzaje i właściwości
Obecnie istnieją 3 zasadnicze typy tego mechanizmu:
Typ 1 - przekładnia planetarna typu "INVEX" (śrubowa o zębach kołowo-łukowych)
Typ 2 - przekładnia planetarna typu "EQUVEX" (walcowa o zębach śrubowych)
podtyp T2R - jako wersja sportowa
Typ 3 - przekładnia planetarna (walcowa o zębach śrubowych z uzębieniem wewnętrznym)
Mechanizm T1 i T2 w warunkach normalnej przyczepności dzielą moment obrotowy po równo po między osie. Mają zatem zastosowanie jako centralne jak i osiowe mechanizmy różnicowe. T3 ze względu na swą konstrukcję pozwala na przekazywanie momentu między osiami w warunkach normalnej przyczepności w proporcji innej niż 50:50. Został stworzony specjalnie z myślą o pojazdach AWD, wymagających innego niż 50:50 podziału momentu, jako mechanizm centralny. Przykładowo w AUDI RS4 zastosowano podział 40:60.
W przypadku utraty przyczepności jednej z osi (lub koła) mechanizm Torsen na drugą oś może przekazać odpowiednio większy moment. O tym o ile większy będzie ten moment decydują cechy ustalone już na etapie konstrukcji i produkcji konkretnego mechanizmu. Charakterystyczną wielkością dla mechanizmów Torsen jest współczynnik TBR (Torque Bias Ratio). Współczynnik ten obrazuje proporcję momentu jaki mechanizm jest w stanie przekazać na oś o większej przyczepności w stosunku do osi drugiej np: TBR 4:1 oznacza, że na oś o większej przyczepności może trafić 4 razy więcej momentu. Współczynnik ten dla różnych typów może wynosić:
dla T1 - od 2,5:1 do 6:1 i więcej
dla T2 - od 1,2:1 do 3:1
W każdym z typów Torsena zmiana rozdziału momentu odbywa się błyskawicznie w sposób płynny bez udziału kierowcy ani żadnych systemów elektronicznych. Dzięki temu, że jego działanie jest czysto mechaniczne jest rozwiązaniem bardzo skutecznym i bardzo ale to bardzo trwałym.
Zasada działania
Jak na wstępie napisano jest to szczególny rodzaj szpery. Posiada on elementy cierne, które dodatkowo przenoszą moment obrotowy w przypadku wystąpienia uślizgu jednej z osi ale ich docisk jest realizowany poprzez siły osiowe pojawiające się podczas współpracy kól zębatych planetarnych z kołami centralnymi. Siły osiowe powstają tam dzięki zastosowaniu zębów śrubowych. Siły te są zależne od kąta linii zębów i można je ustalić podczas projektowania. Oprócz siły docisku na współczynnik TBR ma wpływ współczynnik tarcia elementów ciernych zastosowanych w mechanizmie. Zmieniając wartości siły docisku i współczynnika tarcia można tworzyć mechanizmy o odpowiednim do potrzeb współczynniku TBR.
Mechanizmy tego typu znalazły zastosowanie m.in. w samochodach marki: Audi (system quattro), HUMMER oraz wielu innych.
HALDEX
Haldex - rodzaj samoblokującego się sprzęgła opatentowanego i produkowanego przez szwedzką firmę o tej samej nazwie. Stosowany jako centralny mechanizm różnicowy dla optymalnego rozdzielenia momentu obrotowego pomiędzy przednią i tylną oś napędzaną.
Budowa
Haldex łączy 2 wały prowadzące (w uproszczeniu) do obu osi samochodu i składa się z 3 głównych podzespołów:
mokrego sprzęgła ciernego wielopłytkowego sterowanego siłownikiem hydraulicznym
pompy hydraulicznej umieszczonej na jednym wale i napędzanej rodzajem krzywki umieszczonej na drugim wale układu hydraulicznego łączącego pompę z siłownikiem i zawierającego elektrycznie sterowany zawór regulacyjny
Zasada działania
Jeżeli oba wały obracają się z tą samą prędkością, co ma miejsce podczas jazdy prosto po twardej nawierzchni, to pompa nie wytwarza ciśnienia, siłownik nie łączy sprzęgła i oba wały nie są połączone - efektywnie napędzana jest tylko jedna oś (zazwyczaj przednia). W tym stanie możliwe są niewielkie różnice prędkości obu osi np. podczas jazdy po łuku lub pokonywania wzniesienia - nie spowodują one powstania w układzie ciśnienia wystarczającego do połączenia sprzęgła.
Natomiast gdy prędkości obu wałów będą znacząco różne - np. podczas uślizgu kół dotychczas napędzanej osi podczas ruszania na śliskiej nawierzchni lub przy ich ugrzęźnięciu - wtedy krzywka na jednym z wałów zacznie się obracać względem pompy na drugim wale. W efekcie pompa wytworzy ciśnienie, które uruchomi siłownik i załączy sprzęgło. Oba wały zostaną połączone i moment obrotowy zostanie przeniesiony także na drugą oś.
Elektrycznie sterowany zawór w układzie pozwala modyfikować zachowanie Haldexa w zależności od wielu parametrów, m.in. prędkości jazdy i skrętu kół, co pozwala np. na luźniejsze połączenie obu osi podczas manewrowania na parkingu.
Haldex jest często stosowany w autach Grupy Volkswagena wyposażonych w poprzeczny silnik i napęd na obie osie. Poza tym zastosowały go m.in. także Volvo i Ford.
Sprzęgło wiskotyczne - typ sprzęgła umożliwiającego płynną regulację rozdziału momentu obrotowego - od rozłączenia do niemal sztywnego połączenia. Pod tym względem przewyższa np. mechanizm różnicowy TorSen. Kolejną z zalet jest jego bezobsługowość i niewielka awaryjność - jakiekolwiek naprawy polegają na wymianie całego elementu. Sprzęgła wiskotyczne stosuje się jako element łączący wentylator przy chłodnicy cieczy chłodzącej z osią obrotu pompy wody oraz w samochodach z napędem na 4 koła jako element układu przeniesienia napędu, gdzie zastępują mechanizm różnicowy.
Budowa i zasada działania
Działanie sprzęgła jest oparte na szwedzkim patencie wykorzystującym zmiany lepkości specjalnego oleju silikonowego (oleju wiskotycznego) w zależności od temperatury. Przy bardzo niskiej temperaturze olej wiskotyczny jest w stanie skupienia zbliżonym do ciekłego i eliminuje połączenie między okładzinami sprzęgła. Przy wysokiej temperaturze olej zestala się umożliwiając pełne połączenie. Pomiędzy tymi dwoma przypadkami, w zależności od temperatury olej wiskotyczny zmienia swoją lepkość, płynnie wpływając na tarcie i poślizg pomiędzy elementami poszczególnych części składowych sprzęgła to jest płytkami umieszczonymi przemiennie, wielowypustem na wale napędowym lub połączonych z obudową.
Regulacja
W zależności od zastosowania, temperaturę oleju można zmieniać na różne sposoby. Jeżeli sprzęgło reguluje prędkość obrotową wentylatora chłodnicy to temperaturą oleju może być temperatura w przedniej części bloku silnika. Wał wirnika pompy wody podczas pracy silnika kręci się z prędkością równą prędkości obrotowej silnika, natomiast wentylator musi kręcić się z różną prędkością, aby utrzymać odpowiednią temperaturę bloku silnika. Im temperatura silnika wyższa tym szybciej powinien się obracać wentylator. Jednocześnie im wyższa temperatura, tym tarcie większe, zatem zgodnie z założeniem wentylator obraca się szybciej. Przy sztywnym połączeniu wentylator kręci się z prędkością wirnika pompy wody.
W wypadku wykorzystania sprzęgła do połączenia wałów napędowych konstrukcja jest odmienna. W przypadku wystąpienia poślizgu kół pojawia się różnica prędkości obrotowej przedniego i tylnego wału napędowego - różnica ta odpowiada różnicy prędkości obrotowej poszczególny płytek sprzęgła względem siebie, powodując wzrost ciśnienia i
temperatury oleju. Właściwości oleju sprawiają, że bardzo szybko reaguje on na zmianę tych parametrów. Wzrost temperatury powoduje gęstnienie oleju, co z kolei wpływa na stopniowe usztywnianie połączenia i wyrównanie obrotów. O poprawności działania sprzęgła wiskotycznego w dużym stopniu decyduje ciśnienie oleju wiskotycznego. Parametr ten można regulować zmieniając ilość oleju w przekładni. Regulacji tej dokonuje producent na podstawie testów praktycznych.
2. Cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia było zapoznanie się z budową, rozwiązaniami konstrukcyjnymi i zasadą działania mechanizmów różnicowych zainstalowanych w samochodach.
3. Opis badanego obiektu.
Badanie przeprowadzaliśmy na samochodach:
- Fiat Seicento
- Tarpan Honker
4. Opis
Na początku ćwiczenia podłożyliśmy rolki pod jedno z kół przednich samochodu Seicento. Samochód nie zjechał z rolek. Badania mechanizmów różnicowych w samochodzie Tarpan Hooker były bardziej rozbudowane. Na zdjęciach można zauważyć jak były rozstawione rolki pod kołami. Samochód nie miał problemów z pokonaniem każdej kombinacji z przedstawionych.
5. Wnioski i uwagi końcowe