Hybrydowy mechanizm różnicowy dla tylnego mostu napędowego

Przygotował Andrzej Szeszycki, Edukacja Techniczno-Informatyczna semestr VII

Od momentu, w którym pojawiły się pierwsze pojazdy samojezdne, inżynierowie napotkali problem z przeniesieniem mocy trafiającej z silnika na koła napędowe.

Pierwszym z pomysłów było połączenie obu kół osi napędowej za pomocą wału, jednak ograniczona moc pierwszych pojazdów samobieżnych powodowała, że taki pojazd nie był w stanie pokonać pierwszego zakrętu. Projektanci stwierdzili, że koła osi napędowej podczas pokonywania zakrętu poruszają się z różną prędkością obrotową. Było to spowodowane różnicą w dystansie jaki musi pokonać zewnętrzne oraz wewnętrzne koło napędowe.

Kolejnym pomysł to przekazywanie całej mocy na jedno koło napędowe. Drugie koło osi napędowej mogło poruszać się swobodnie dostosowując się do warunków drogowych oraz toru ruchu pojazdu. Jednak ze względu na ciągłe zmiany warunków drogowych dostrzeżono ograniczoną zdolność manewrowania takimi pojazdami.

W 1827r. zaproponowano mechaniczne połączenie kół napędowych; tak powstał mechanizm różnicowy, który pod koniec XIX wieku stał się podstawowym elementem wyposażenia pojazdów. Obecnie mechanizm różnicowy znajduje się w każdym samochodzie, niezależnie od ilości osi napędowych. Wynalezienie mechanizmu różnicowego jest jednym z elementów, dzięki któremu przemysł samochodowy mógł odnieść sukces.

W związku z rozwojem przemysłu samochodowego zorientowano się, że prosty mechanizm różnicowy posiada kilka wad, a jedną z nich jest spadek siły napędowej obydwu kół mostu napędowego wówczas, gdy jedno z nich ma zmniejszoną siłę przyczepności. Aby zniwelować wady klasycznego mechanizmu różnicowego zbudowano jego wiele odmian, które są stosowane w różnych typach pojazdów ze względu na ich przeznaczenie.

Zależnie od przeznaczenia wyróżniamy: międzykołowe, międzyosiowe, międzybrzegowe mechanizmy rozdziału mocy. Zależnie od układu możemy wyróżnić: proste, złożone, symetryczne, niesymetryczne. Zależnie od stopnia automatyzacji wyróżniamy: bez blokowania, z ręcznym blokowaniem, samoblokujące. Mechanizmy różnicowe pod względem konstrukcji możemy podzielić na: mechanizmy o małym tarciu wewnętrznym, mechanizmy o zwiększonym tarciu wewnętrznym, mechanizmy z oporem hydraulicznym, mechanizmy pulsujące, mechanizmy wyłączające, mechanizmy samoblokujące.

Chcą przedstawić budowę oraz zasadę działania hybrydowego mechanizmu różnicowego niezbędne jest przedstawienie dwóch odmian mechanizmu różnicowego, które są elementami składowymi hybrydowego mechanizmu rozdziału mocy.

Śrubowy mechanizm różnicowy o zwiększonym tarciu wewnętrznym LSD (Limited Slip Differential)

Mechanizm zbudowany jest z przekładni śrubowej typu Torsen z kołami głównymi i kołami planetarnymi. Od konwencjonalnego mechanizmu z satelitami różni się tym, że satelity mają zęby o kształcie śrubowym, a nie prostym. Satelity są umieszczone w otworach stanowiących gniazda. Nie występują tutaj również sworznie przechodzące przez środki satelit. Każdy satelit walcowy z każdej pary kół zazębia się z odpowiadającym mu kołem koronowym, spełniając tym samym warunki dla prawidłowej pracy mechanizmu różnicowego. Na odcinku wzajemnego zazębienia satelity walcowe podparte są przez centralną tulejkę odległościowa umieszczoną między kołami koronowymi. Mechanizm o takiej budowie przenosi więcej momentu obrotowego na koło o lepszej przyczepności.

Mechanizm różnicowy o zwiększonym tarciu wewnętrznym ze sprzęgłem lepkościowym, wiskotycznym VCU (Viscous Coupling Unit)

Zbudowany na bazie przekładni planetarnej ze sprzęgłem hydraulicznym wielopłytkowym. Obudowa sprzęgła ma kształt walca i wykonana jest najczęściej z aluminium. Wewnątrz występują dwa pakiety płytek, ułożone naprzemiennie, zanurzone w specjalnym oleju. Obudowa musi być bardzo szczelna, aby płyn znajdujący się w środku nie wydostawał się na zewnątrz. Każdy z pakietów połączony jest z odpowiednią półosią. Pakiety płytek różnią się od siebie. Pierwsze posiadają nacięcia na swoim obwodzie i są połączone za pomocą wielowypustu z pierwszą półosią. Płytki z otworami są połączone z obudową, a ta jest zespolona z drugą półosią.

Obudowa wypełniona jest olejem, który w zależności od klasy może być olejem silikonowym lub olejem magnetoreologicznym reagującym na zmianę pola magnetycznego. Olej silikonowy zmienia swoją lepkość pod wpływem temperatury. W niskiej temperaturze lepkość oleju jest niewielka i pakiety płytek poruszają się bez oporów. Wraz ze wzrostem temperatury lepkość znacząco wzrasta, co powoduje powstanie dużych oporów pomiędzy płytkami i zesprzęglenie obu półosi. Przy małej różnicy prędkości obrotowej półosi temperatura oleju jest niska co powoduje, że sprzęgło lepkościowe działa jak otwarty mechanizm różnicowy. Jeżeli różnica prędkości obrotowych kół będzie znaczna, poślizg pomiędzy płytkami powoduje wzrost ciśnienia oraz temperatury oleju i natychmiastowe zesprzęglenie półosi. Poprzez zmianę ilości oleju w obudowie można zdecydować jak szybko i przy jakiej różnicy prędkości obrotowych sprzęgło zacznie działać. Mechanizm rozdziału mocy ze sprzęgłem wiskotycznym przekazuje więcej momentu obrotowego na koło o lepszej przyczepności.

Hybrydowy mechanizm różnicowy o zwiększonym tarciu wewnętrznym LSD+VCU

Mechanizm jest połączeniem przekładni śrubowej oraz sprzęgła lepkościowego. Wewnątrz śrubowego mechanizmu różnicowego zamontowane jest sprzęgło lepkościowe zintegrowane z dwoma kołami walcowymi.

W normalnych warunkach pracy sprzęgło wiskotyczne (VCU) nie wpływa na działanie mechanizmu różnicowego. W momencie utraty przez jedno koło przyczepności następuje wzrost różnicy prędkości obrotowych walcowych kół zębatych. W tym momencie zaczynia działać VCU, zwiększając opór tego koła walcowego, które ma większą prędkość obrotową czyli mniejszą przyczepność. Wzrost oporu spowodowany jest to wzrostem temperatury między kołem walcowym, a połączonym z nim sprzęgłem lepkościowym. Hybrydowy mechanizm rozdziału mocy ma za zadanie przeciwdziałać sytuacji, w której występuje znacząca różnica w prędkości obrotowej kół osi napędowej. Sprzęgło lepkościowe podczas normalnej pracy mechanizmu różnicowego nie ma wpływu na jego działanie.

Powyższe rozwiązanie zostałoby zgłoszone do „Urzędu Patentowego Rzeczypospolitej Polskiej” w celu opatentowania. Następnie zgłoszony zostałby wniosek do „Europejskiego Urzędu Patentowego”, w celu ochrony patentu w Europie. Równocześnie zgłoszenie patentowe zostałoby dokonane w Urzędzie Patentowym w Stanach Zjednoczonych. W końcowej fazie nowe rozwiązanie zostałoby zarejestrowane w „Euroazjatyckim Urzędzie Patentowym”. Spowodowane jest to duża trudnością w uzyskaniu ochrony patentowej w tamtej części świata. Po opatentowaniu projektu istnieją dwie możliwe formy zarobkowe:

1. Zaprojektowanie, opatentowanie, wytworzenie, przetestowanie, sprzedaż licencji, sprzedaż jako podwykonawca

Po zaprojektowaniu oraz opatentowaniu nastąpiłoby wytworzenie prototypu. Prototyp projektu zostałby wykonany w jednej z Polskich fabryk specjalizujących się w wytwarzaniu takich podzespołów. Taką fabryką mogłaby być placówka „American Axle & Manufacturing” z siedzibą w Świdnicy. W Świdnickiej placówce produkuje się części oraz całe mechanizmy różnicowe. AAM jest firmą amerykańską założoną w 1917 roku, a więc posiada duże doświadczenie przy produkcji takich podzespołów. Prototyp zostałby wykonany w 3 egzemplarzach służących do testów.

Po wytworzeniu, pierwszy prototyp zostałby poddany serii badań laboratoryjnych sprawdzających jego właściwości trakcyjne. Wykonane zostałyby próby wytrzymałościowe, które ujawniłyby niedociągnięcia projektu. Z kolei drugi i trzeci prototyp zostałby zamontowany w dwóch różnych typach pojazdów: SUV (Special Utility Vehicle) oraz pojeździe o wysokich osiągach. Seria przeprowadzonych testów przeprowadzona w różnych warunkach pozwoliłaby sprawdzić gdzie najlepiej zostałby wykorzystany projekt. Po przeprowadzeniu wszystkich badań i testów, nastąpiłoby spotkanie z szefami głównych koncernów samochodowych na świecie, tj. General Motors, Ford Motor Company, Volkswagen Auto Group, Hyundai Kia Automotive Group i innych. Światowe koncerny mogłyby odkupić licencję niewyłączną na produkcję hybrydowego mechanizmu różnicowego. Projekt mógłby zostać sprzedany w formie licencji firmie AAM, jako wyłącznemu producentowi tego typu mechanizmu różncowego. W tym przypadku projekt finansowany byłby ze środków prywatnych z uwzględnieniem kredytu. W kosztach należałoby uwzględnić koszty: wytworzenia, badań, opatentowania oraz innych kosztów pośrednich. Kampania reklamowa nie została przewidziana, ponieważ istnieje wąska grupa osób do której miałby trafić projekt.

2. Zaprojektowanie, opatentowanie, sprzedaż licencji

W drugiej możliwej formie zarobkowej nastąpiłoby zaprojektowanie hybrydowego mechanizmu różnicowego, opracowanie kompleksowej dokumentacji technicznej. Kolejnym krokiem byłoby uzyskanie patentu na tego typu rozwiązanie. Po uzyskaniu patentu nastąpiłby kontakt z głównymi koncernami samochodowymi na świecie, tj. General Motors, Ford Motor Company, Volkswagen Auto Group, Hyundai Kia Automotive Group oraz innych firm specjalizujących się w wytwarzaniu i wdrożeniu takich podzespołów. Światowe koncerny mogłyby odkupić licencję niewyłączną na produkcję hybrydowego mechanizmu różnicowego, a następnie we własnym zakresie dokonywać wdrożenia opracowanego rozwiązania technicznego. Wybierając to rozwiązanie nakłady związane z realizacją projektu zostałyby poniesione z własnych środków. Również i w tym przypadku kampania reklamowa nie byłaby brana pod uwagę.