Begrenset slip -differensial - Limited-slip differential

Kjegletype LSD

En differensial med begrenset glid ( LSD ) er en type differensial som lar de to utgående akslene rotere med forskjellige hastigheter, men begrenser den maksimale forskjellen mellom de to akslene. Begrensede slip-differensialer er ofte kjent av det generiske varemerket Positraction , et merkenavn som eies av General Motors .

I en bil brukes noen ganger slike begrensede glideforskjeller i stedet for en standard differensial, der de formidler visse dynamiske fordeler, på bekostning av større kompleksitet.

Tidlig historie

I 1932 designet Ferdinand Porsche en Grand Prix -racerbil for Auto Union -selskapet. Designets høye effekt fikk et av bakhjulene til å oppleve overdreven hjulspinn i en hastighet på opptil 160 km/t (100 mph). I 1935 ga Porsche ingeniørfirmaet ZF i oppdrag å designe en differensial med begrenset skli for å forbedre ytelsen. ZF "glidestifter og kammer" ble tilgjengelig, og et eksempel var Type B-70 som ble brukt under andre verdenskrig i de militære VW-ene ( Kübelwagen og Schwimmwagen ), selv om dette teknisk sett ikke var en differensial med begrensning, men et system sammensatt av to frihjul , som sendte hele motoreffekten til de to hjulene saktere.

fordeler

Den største fordelen med en differensial med begrenset glid er demonstrert ved å vurdere tilfellet med en standard (eller "åpen") differensial i terreng- eller snøsituasjoner der ett hjul begynner å skli. I et slikt tilfelle med en standard differensial vil det glidende eller berøringsfrie hjulet motta størstedelen av kraften (i form av lavt dreiemoment, høy omdreining), mens kontakthjulet vil forbli stille i forhold til bakken. Det dreiemoment som overføres ved hjelp av en åpen differensial vil alltid være lik på begge hjul; hvis ett dekk er på en glatt overflate, vil det medfølgende dreiemomentet lett overvinne tilgjengelig trekkraft ved et veldig lavt tall. For eksempel kan det riktige dekket begynne å spinne så snart 70 N⋅m (50 lb⋅ft) dreiemoment er plassert på det, siden det er på en iskald overflate. Siden den samme mengden dreiemoment alltid føles på begge hjulene, uavhengig av hastigheten de svinger med, betyr dette at hjulet med trekkraft ikke kan motta mer enn 70 Nm dreiemoment, noe som er langt mindre enn det som kreves for å flytte kjøretøy. I mellomtiden vil dekket på den glatte overflaten ganske enkelt snurre og absorbere all faktisk effekt (som er en funksjon av dreiemoment gitt over tid), selv om begge hjulene har samme (svært lave) mengde dreiemoment. I denne situasjonen forhindrer en begrenset slip-differensial overdreven kraft fra å bli tildelt ett hjul, og holder begge hjulene i drevet rotasjon, slik at trekkraften ikke vil være begrenset til hjulet som kan håndtere den minimale mengden kraft.

Fordelene med LSD i biler med høy effekt, bakhjulsdrift ble demonstrert i USA "Muscle-Car" -tiden fra midten av 1960-tallet til begynnelsen av 1970-tallet. Biler i denne epoken var normalt bakhjulsdrift og hadde ikke uavhengig fjæring for bakdekkene (men brukte i stedet en levende aksel ). Med en levende aksel, når høyt dreiemoment påføres gjennom differensialen, er trekkraften på høyre bakdekk lavere da akselen naturligvis vil snu med torsjonen på drivakselen (men holdes i ro ved å bli montert på bilrammen) . Dette skapte begrepene "ett hjulskall" eller "ett dekkbrann". Som sådan hadde "Muscle-Cars" med LSD eller "posi" (posi-trekkraft) en klar fordel for sine hjulspinnende kolleger.

Grunnleggende prinsipp for drift

Både differensialer med begrenset skli og åpne differensialer har et gir som tillater at utgangsakslene snurrer i forskjellige hastigheter samtidig som de holder summen av hastighetene proporsjonale med inngangssakselen.

Fordeler med begrenset skli for biler har en type mekanisme som påfører et dreiemoment (internt i differansen) som motstår den relative bevegelsen til utgangsakslene. Enkelt sagt betyr dette at de har en mekanisme som motstår en hastighetsforskjell mellom utgangene, ved å skape et motstandsdreiemoment mellom enten de to utgangene, eller utgangene og differensialhuset. Det er mange mekanismer som brukes for å lage dette motstandsmomentet. Typer av differensial med begrenset skli er vanligvis navngitt fra typen motstandsmekanisme. Eksempler inkluderer viskøse og clutchbaserte LSD. Mengden begrensende dreiemoment levert av disse mekanismene varierer etter design.

En differensial med begrenset glid har en mer kompleks dreiemoment-deling og bør vurderes i tilfelle når utgangene spinner samme hastighet og når de spinner med forskjellige hastigheter. Momentforskjellen mellom de to akslene kalles Trq d . (I dette verket kalles det Trq f for momentfriksjon). Trq d er forskjellen i dreiemoment levert til venstre og høyre hjul. Størrelsen på Trq d kommer fra den glidebegrensende mekanismen i differensialen og kan være en funksjon av inngangsmoment (som i tilfelle av en girdifferensial), eller forskjellen i utgangshastigheter (som i tilfelle av en viskøs differensial) ).

Dreiemomentet som leveres til utgangene er:

  • Trq 1 = ½ Trq i + ½ Trq d for den langsommere effekten
  • Trq 2 = ½ Trq in - ½ Trq d for raskere utgang

Når du reiser i en rett linje, hvor ett hjul begynner å glide (og snurrer raskere enn hjulet med trekkraft), reduseres dreiemomentet til det glidende hjulet ( Trq 2 ) og leveres til det langsommere hjulet ( Trq 1 ).

I tilfelle når kjøretøyet snur og ingen av hjulene glir, vil det indre hjulet dreie saktere enn det utvendige hjulet. I dette tilfellet vil det indre hjulet få mer dreiemoment enn det utvendige hjulet, noe som kan føre til understyring.

Når begge hjulene snurrer med samme hastighet, er dreiemomentfordelingen til hvert hjul:

  • Trq (1 eller 2) = ½ Trq i ± (½ Trq d ) mens
  • Trq 1 +Trq 2 = Trq in .

Dette betyr at det maksimale dreiemomentet til hvert hjul er statisk ubestemt, men er i området ½ Trq i ± (½ Trq d ) .

Typer

Flere typer LSD brukes ofte i personbiler.

  • Fast verdi
  • Momentfølsom
  • Hastighetsfølsom
  • Elektronisk styrt

Fast verdi

I denne differansen er den maksimale dreiemomentforskjellen mellom de to utgangene, Trq d , en fast verdi til enhver tid uavhengig av dreiemomentinngang til differansen eller hastighetsforskjellen mellom de to utgangene. Vanligvis brukte denne differensialen fjærbelastede clutchaggregater.

Momentfølsomhet (HLSD)

Denne typen inkluderer spiralformede girdifferensialdifferanser og clutch, kjegle (en alternativ type clutch) der koblingskraften til clutchen er en funksjon av inngangsmomentet som påføres differensialen (ettersom motoren bruker mer dreiemoment, griper clutchene hardere og Trq d synker).

ZF LSD - clutchstabel synlig til venstre
ZF LSD - ramper for edderkoppakselen er synlige

Torque sensing LSD reagerer på drivakselens dreiemoment, slik at jo mer drivakseltilførselsmoment som er tilstede, jo hardere presses koblingene, kjeglene eller tannhjulene sammen, og jo tettere er drivhjulene koblet til hverandre. Noen inkluderer fjærbelastning for å gi et lite dreiemoment, slik at drivhjulene er minimalt koblet med lite eller ingen inngangsmoment (bakgass/girkasse i nøytral/hovedkobling). Mengden forhåndsbelastning (derav statisk kobling) på clutchen eller kjeglene påvirkes av den generelle tilstanden (slitasje) og av hvor tett de belastes.

Clutch, kjegletype eller plate LSD

Clutchtypen har en bunke med tynne clutch-discs, hvorav halvparten er koblet til en av drivakslene, den andre halvparten er koblet til spindelgirholderen. Clutchstablene kan være tilstede på begge drivakslene, eller bare på en. Hvis den bare er på en, er den gjenværende drivakselen knyttet til den clutchede drivakselen gjennom edderkoppene. I en kjegletype erstattes clutchene med et par kjegler som presses sammen for å oppnå samme effekt.

En metode for å lage klemkraften er bruken av en kam-rampe som brukes i en LSD i Salisbury/rampestil. Edderkoppgirene monteres på pinjons tverrakselen som hviler i vinklede utskjæringer som danner ramper med kam. Ramperne med kam er ikke nødvendigvis symmetriske. Hvis rampene er symmetriske, er LSD toveis. Hvis de er tannet (dvs. den ene siden av rampen er vertikal), er LSD én vei. Hvis begge sider er skrå, men er asymmetriske, er LSD 1,5 -veis. (Se diskusjonen om 2, 1.5 og 1 måte nedenfor)

Et alternativ er å bruke tannhjulets naturlige separasjonskraft for å laste clutchen. Et eksempel er senterforskjellen til 2011 Audi Quattro RS 5.

Når inngangsmomentet til drivakselen prøver å snu differensialsenteret, tvinges de indre trykkringene (som grenser til clutchstakken) til siden av pinjons tverrakselen som prøver å bestige rampen, som komprimerer clutchstakken. Jo mer clutchstakken komprimeres, jo mer koblet er hjulene. Paringen av den vertikale rampen (80–85 ° i praksis for å unngå flis) overflater i en enveis LSD ved overkjøring gir ingen kameffekt eller tilsvarende clutch-stakekomprimering.

2-veis, 1-veis, 1,5-veis

Grovt sett er det tre inngangsmomenttilstander: belastning, ingen belastning og overkjøring. Under belastningsforhold, som tidligere nevnt, er koplingen proporsjonal med inngangsmomentet. Uten belastning reduseres koplingen til den statiske koblingen. Atferden ved overkjøring (spesielt plutselig gassutløsning) avgjør om LSD er enveis, 1,5 eller toveis.

En 2-veis differensial vil ha samme begrensende dreiemoment Trq d i både forover og bakover. Dette betyr at differansen vil gi en viss begrensning ved motorbremsing.

En 1-veis differensial vil gi sin begrensende virkning i bare én retning. Når dreiemoment påføres i motsatt retning, oppfører det seg som en åpen differensial. Når det gjelder en FWD-bil, hevdes det å være tryggere enn en toveis differensial. Argumentet er at hvis det ikke er noen ekstra kobling ved overkjøring, dvs. en 1-veis LSD så snart føreren løfter gassen, låser LSD opp og oppfører seg noe som en konvensjonell åpen differensial. Dette er også det beste for FWD -biler, ettersom det lar bilen slå på gassutløseren, i stedet for å pløye fremover.

En 1,5-veis differensial refererer til en der frem- og bakoverbegrensende dreiemoment, Trq d_fwd, d_rev , er forskjellige, men ingen av dem er null som i tilfellet med 1-veis LSD. Denne typen differensial er vanlig i racerbiler hvor et sterkt begrensende dreiemoment kan hjelpe stabiliteten under motorbremsing.

Utstyrt LSD

Audi Quattro Torsen Differensial

Girkasserte, dreiemomentfølsomme mekaniske begrensningsdifferensialer bruker snekkegir og tannhjul for å fordele og differensiere inngangseffekten mellom to drivhjul eller for- og bakaksler. Dette er et helt eget design fra de vanligste fasede edderkopputformingene som er sett i de fleste bilapplikasjoner. Etter hvert som dreiemoment påføres girene, skyves de mot veggene i differensialhuset, noe som skaper friksjon. Friksjonen motstår den relative bevegelsen av utgangene og skaper det begrensende dreiemomentet Trq d .

I motsetning til andre friksjonsbaserte LSD-design som kombinerer et vanlig "åpent" differensial i edderkoppdrev i kombinasjon med friksjonsmaterialer som hemmer differensiering, er dreiemomentdetekteringsdesignen en unik type differensial, med forspenningsmoment i konstruksjonen, ikke som tillegg på. Momentskjevhet brukes bare når det er nødvendig, og hemmer ikke differensiering. Resultatet er en sann differensial som ikke binder seg som LSD og låsetyper, men likevel gir økt kraftleveranse under mange veiforhold.

Eksempler inkluderer:

  • Torsen T-1 er merkenavnet på den opprinnelige Gleasman-differensialen som ble oppfunnet av Vernon Gleasman rundt 1949 (amerikansk patent 2.559.916 søkt i 1949, gitt 1951). Den originale Gleasman-designen ble solgt til The Gleason Works (senere kalt Gleason Corporation ), som begynte å markedsføre den i 1982. Den originale T-1-modellen er inkompatibel med drivaksler med c-klipp, noe som begrenset bruken med mange biler og pick-up. datidens lastebiler. Imidlertid ble den opprinnelige Torsen -differensialen brukt i racing av Mario Andretti og Paul Newman med stor suksess. Alle senere ormen utstyr LSD design ble avledet fra den opprinnelige Gleasman differensial. T-1 er originalutstyr i Audi Quattro , Subaru Impreza WRX STI, Toyota Mega Cruiser og AM General HMMWV " Humvee ".
  • Torsen T-2 var et nytt Gleasman-design rundt 1984 (US Patent application WO1984003745 A1) som er kompatibelt med c-klippaksler. Den nye designen, sammen med en fusjon som skaper Zexel -Gleason USA, økte Torsen -tilgjengeligheten for OEM- og ettermarkedsapplikasjoner. Varianter inkluderer T-2R, som inkluderer en clutchpakke i Positraction-stil som gir forhåndsbelastning for racingformål; og T-3, en dobbel differensial beregnet for AWD-applikasjoner. T-2 er originalutstyr i mange høytytende biler og pick-up lastebiler.
  • Quaife -differensial , solgt under navnet Automatic Torque Biasing Differential (ATB Differential®️), dekket av europeisk patent nr. 130806A2. Quaife-versjonen er mest etablert i Europa og andre markeder enn USA, og tilbyr omfattende ettermarkedsstøtte for europeiske og japanske merker, spesielt forhjulsdrift og firehjulsdrift . Mk1 og Mk2 (tilleggsutstyr på senere Mk3) Ford Focus RS brukte Quaife ATB Differential®️ som originalutstyr.
  • Eaton Corporation er den siste eieren av Truetrac -differensialen , som har vært i produksjon i mange år. Designet ligner Torsen T-2 (litt mindre vridningsmoment), og er en ettermarkedsdel for mange populære amerikanske produserte solide aksler for bakhjulsdrift og 4x4 pick-up lastebiler. Truetrac brukes oftest i forakslen til 4x4 pick-upbiler beregnet for terrengbruk, kombinert med låsesenter og differensialer bak. Som tilfellet er med alle LSD -design med gir, har Truetrac ingen negativ innvirkning på styringen som de fleste andre LSD- og "locker" -designer er utsatt for.

Hastighetsfølsomhet

Hastighetsfølsomme differensialer begrenser dreiemomentforskjellen mellom utgangene, Trq d , basert på hastighetsforskjellen mellom de to utgående akslene. For små utgangshastighetsforskjeller kan differensialens oppførsel derfor være nær en åpen differensial. Når hastighetsforskjellen øker, øker det begrensende dreiemomentet. Dette resulterer i ulik dynamisk oppførsel sammenlignet med en momentfølsom differensial.

Viskøs (VLSD)

Nissan 240SX tyktflytende LSD

Den viskøse typen er generelt enklere fordi den er avhengig av hydrodynamisk friksjon fra væsker med høy viskositet . Silikonbaserte oljer brukes ofte. Her roterer et sylindrisk væskekammer fylt med en bunke med perforerte skiver med normal bevegelse av utgangsakslene. Den indre overflaten av kammeret er koblet til en av drivakslene, og utsiden koblet til differensialbæreren. Halvparten av skivene er koblet til det indre, den andre halvdelen til det ytre, vekslende indre/ytre i stabelen. Differensiell bevegelse tvinger de sammenflettede skivene til å bevege seg gjennom væsken mot hverandre. I noen viskøse koblinger når hastigheten opprettholdes, vil væsken akkumulere varme på grunn av friksjon. Denne varmen vil føre til at væsken ekspanderer og utvider koblingen som forårsaker at platene trekkes sammen, noe som resulterer i en ikke-viskøs plate til plate friksjon og et dramatisk fall i hastighetsforskjell. Dette er kjent som pukkelfenomenet, og det gjør at siden av koblingen kan låses forsiktig. I motsetning til den mekaniske typen er den begrensende virkningen mye mykere og mer proporsjonal med sklien, og den er derfor lettere å takle for den gjennomsnittlige sjåføren. New Process Gear brukte en tyktflytende kopling av Ferguson -stilen i flere av overføringssakene deres, inkludert de som ble brukt i AMC Eagle .

Viskøse LSD -er er mindre effektive enn mekaniske typer, det vil si at de "mister" litt kraft. Spesielt resulterer enhver vedvarende belastning som overopphetes silikonet i plutselig permanent tap av differensialeffekten. De har den dyd å mislykkes grasiøst, gå tilbake til semi-åpen differensial oppførsel. Vanligvis vil en viskodifferensial som har tilbakelagt 97 000 km eller mer fungere stort sett som en åpen differensial. Silikonoljen er fabrikkforseglet i et eget kammer fra giroljen som omgir resten av differensialen. Dette er ikke brukbart; når differensialens oppførsel forverres, må VLSD -senteret byttes ut.

Gerotor pumpe

Denne begrensede slip-differensialen fungerer ved å bruke en gerotorpumpe til hydraulisk komprimering av en clutch for å overføre dreiemoment til hjulet som roterer saktere. Gerotorpumpen bruker differensialbæreren eller buret for å drive pumpens ytre rotor og en akselaksel for å drive den indre rotoren. Når det er en forskjell mellom venstre og høyre hjul hastighet, presser pumpen hydraulikkvæsken som får clutchen til å komprimere. derved at dreiemomentet overføres til hjulet som roterer saktere. Disse pumpebaserte systemene har nedre og øvre grenser for påført trykk som gjør at differensialen kan fungere som en konvensjonell eller åpen differensial til det er en betydelig hastighetsforskjell mellom høyre og venstre hjul, og intern demping for å unngå hysterese . Det nyeste gerotorpumpebaserte systemet har datamaskinregulert utgang for mer allsidighet og ingen svingninger.

Elektronisk

En elektronisk begrensningsdifferensial vil vanligvis ha et planet- eller konisk gir som ligner på en åpen differensial og en clutchpakke som ligner den i en momentfølsom eller gerotorpumpebasert differensial. I den elektroniske enheten styres klemkraften på clutchen eksternt av en datamaskin eller annen kontroller. Dette gjør at kontrollen av differensialens begrensende dreiemoment, Trq d , kan kontrolleres som en del av et totalt chassisstyringssystem. Et eksempel på denne typen differensial er Subarus DCCD som ble brukt i Subaru WRX STi fra 2011. Et annet eksempel er Porsche PSD -systemet som ble brukt på Porsche 928 . Et tredje eksempel er SAAB XWD ( Haldex Generation 4) med eLSD, den bruker en vanlig (elektronisk styrt via kjøretøyets datanettverk) hydrauliske kraftpakke for å kontrollere både langsgående og tverrgående momentoverføring av XWD -systemet. Det samme Haldex -systemet brukes på flere andre GM Epsilon -baserte kjøretøyer som Cadillac SRX etc.

Elektroniske systemer: bremsebasert

Disse systemene er alternativer til en tradisjonell begrenset slip-differensial. Systemene utnytte forskjellige chassis følere, slik som hastighetssensorer, antiblokkeringssystem (ABS) sensorer, akselerometre , og mikrodatamaskiner for elektronisk overvåking sluring og kjøretøyets bevegelse. Når chassisets kontrollsystem bestemmer at et hjul glir, bruker datamaskinen bremsene på det hjulet. En signifikant forskjell mellom de begrensede slip-differensialsystemene som er oppført ovenfor og dette bremsebaserte systemet, er at bremsebaserte systemer ikke iboende sender det større dreiemomentet til det langsommere hjulet, pluss den ekstra slitasjen på bremsefriksjonen som skyldes bruk av et slikt system hvis kjøretøyet kjøres i et miljø der det bremsebaserte systemet aktiveres regelmessig.

BMWs elektroniske begrensningsdifferensial som brukes på F10 5-serien er et eksempel på et slikt system. Et annet eksempel begynte på det første året (1992) produksjonen av den re-stylede, og nye 4,6L V-8 overheadkam Ford Crown Victoria- modellen med valgfrie blokkeringsfrie bremser. Dette alternativet var tilgjengelig på Crown Victoria fra 1992, videre; på de bilene som er utstyrt med blokkeringsfrie bremser.

Andre relaterte sluttdrev

Fabrikknavn

På 1950- og 1960 -tallet begynte mange produsenter å bruke merkenavn på LSD -enhetene. Den Studebaker-Packard Corporation pioner LSD under merkenavnet "Twin Traction" i 1956, og ble en av de første produsentene. Andre fabrikknavn for LSD inkluderer:

I populærkulturen

I The Beach Boys 'sang " 409 " nevner teksten tilstedeværelsen av en begrenset slip-differensial: "... My four-speed, dual-quad, Positraction 4-0-9 (4-0-9, 4- 0-9). "

I filmen My Cousin Vinny fra 1992 , er uskyldsbeviset til to unge menn falskt anklaget for drap sterkt avhengig av et fotografi av dekkmerker laget av en bil som har en differensial med begrenset glid, som (som Marisa Tomeis karakter berømt erklærer i en Oscar -vinnende forestilling) "var ikke tilgjengelig på Buick Skylark fra 64 ," bilen kjørt av tiltalte. Hun argumenterer for at bevisene snarere viser at fluktbilen var en Pontiac Tempest fra 1963 , som tilbød en valgfri Safe-T-Track (Pontiacs versjon av Positraction) differensial med begrenset glid.

Referanser

Eksterne linker