Шектеулі сырғу дифференциалы

Кіріспе

Дифференциалдық беріліс қорабы, шығыс біліктерінің айналу жылдамдығының айырмашылығын шектейді. LSD-нің басқа мағыналары

Шектелген тайғанақ дифференциалы (LSD) – екі шығыс білігінің әртүрлі жылдамдықпен айналуына мүмкіндік беретін, бірақ екі білік арасындағы максималды айырмашылықты шектейтін дифференциалдық беріліс механизмінің түрі. Шектелген тайғанақ дифференциалдары көбінесе Positraction деген жалпы тауарлық белгісімен танымал, бұл General Motors компаниясына тиесілі және бастапқыда Chevrolet маркалы көліктері үшін қолданылған бренд атауы. Мысалы, екінші дүниежүзілік соғыс кезінде әскери мақсаттағы VW (Kübelwagen және Schwimmwagen) көліктерінде Type B 70 қолданылған, бірақ техникалық тұрғыдан алғанда бұл шектелген тайғанақ дифференциалы емес, екі бос жүріс механизмінен (freewheel) тұратын жүйе болды, ол қозғалтқыштың барлық қуатын екі доңғалақтың баяу айналуына жіберді. 1950 жылдардың соңында АҚШ автоөндірушілері шектелген тайғанақ дифференциалдарын кеңінен енгізіп, оларды түрлі тауарлық атаулармен сатты. 1956 жылдың басында Packard компаниясы Twin Traction тауарлық белгісімен білікке қосылатын (clutch type) шектелген тайғанақ дифференциалын ұсынды, оны қысқы ауа райында жүргізуге көмектесетін құрал ретінде насихаттады. 1957 жылы General Motors (GM) Chevrolet маркалы көліктері үшін Positraction деген атаумен бәсекелес жүйені енгізді. Бірнеше жыл ішінде басқа американдық автомобиль брендтері де ұқсас жүйелерді түрлі атаулармен ұсынды, соның ішінде GM-нің Pontiac бренді үшін Safe T Track, Oldsmobile бренді үшін Anti Spin, ал Ford Motor Company Ford көліктері үшін Traction Lok және Lincoln көліктері үшін Directed Power енгізді. Chrysler компаниясы Dana Incorporated компаниясынан Power Lok және Borg Warner компаниясынан Spin Resistant агрегаттарын сатып алып, екеуін де Chrysler, Dodge және Plymouth көліктерінде Sure Grip деген атаумен сатты. Шектелген тайғанақ дифференциалдары 1960 және 1970 жылдардағы «бұлшықет машиналарын» (muscle car) дәуірінде өте танымал болды. LSD-нің жоғары қуатты, артқы жетектегі автомобильдердегі артықшылықтары 1960 жылдардың ортасынан 1970 жылдардың басына дейінгі АҚШ-тың «бұлшықет машиналарын» дәуірінде айқын болды. Бұл дәуірдегі автомобильдер көбінесе артқы жетектегі болды және артқы дөңгелектерде тәуелсіз аспасы болмады (оның орнына берік ось қолданылды). Берік осьте дифференциал арқылы жоғары момент берілген кезде, оң артқы дөңгелектің сүйірлеуі төмендейді, өйткені ось қозғалтқыш білігінің бұрылысымен айналуға бейім (бірақ көліктің рамасына бекітілгендіктен қозғалмайды). Осыдан «бір дөңгелек сырғып кетуі» (one wheel peel) немесе «бір дөңгелек отқа тұтануы» (one tire fire) деген терминдер пайда болды. Сондықтан, LSD немесе «пози» (positraction) бар «бұлшықет машиналарын» дөңгелек айналдыруға бейім әріптестерінен айқын артықшылығы болды. Механикалық шектелген тайғанақ дифференциалдары дұрыс сырғу жасау үшін қажетті деп есептеледі.

A limited slip differential (LSD) is a type of differential gear train that allows its two output shafts to rotate at different speeds but limits the maximum difference between the two shafts. Limited slip differentials are often known by the generic trademark Positraction, a brand name owned by General Motors and originally used for its Chevrolet branded vehicles. and one example was the Type B 70 used during the Second World War in the military VWs (Kübelwagen and Schwimmwagen), although technically this was not a limited slip differential, but a system composed of two freewheels, which sent the whole of the engine power to the slower turning of the two wheels. Limited slip differentials were widely introduced by U. S. automakers in the late 1950s and were marketed under a wide variety of trademarked names. In early 1956, Packard introduced a clutch type limited slip differential under the Twin Traction trademark, promoting it as an aid for driving in severe winter weather. In 1957, General Motors (GM) introduced a competing system for Chevrolet branded vehicles under the Positraction name. Within a few years, other American automotive brands introduced similar systems under a variety of names, including Safe T Track for GM's Pontiac brand and Anti Spin for its Oldsmobile brand, while the Ford Motor Company introduced Traction Lok for Ford vehicles and Directed Power for its Lincoln cars. Chrysler purchased Power Lok units from Dana Incorporated and Spin Resistant units from Borg Warner, marketing both under the Sure Grip name on Chrysler, Dodge, and Plymouth vehicles. Limited slip differentials became very popular and sought after during the muscle car era in the 1960s and 1970s. The advantages of LSD in high power, rear wheel drive automobiles were demonstrated during the United States "Muscle Car" era from the mid 1960s through the early 1970s. Cars of this era normally were rear wheel drive and did not feature independent suspension for the rear tires (but instead used a live axle). With a live axle, when high torque is applied through the differential, the traction on the right rear tire is lower as the axle naturally wants to turn with the torsion of the drive shaft (but is held stationary by being mounted to the vehicle frame). This coined the terms "one wheel peel" or "one tire fire". As such, "Muscle Cars" with LSD or "posi" (positraction) had a distinct advantage to their wheel spinning counterparts. Mechanical limited slip differentials are considered essential to perform a proper drift.

Екі жол, бір жол, бір жарым жол

Жалпы алғанда, кіріс моментінің үш күйі бар: жүктеме, жүктемесіз және инерциялық айналу. Жүктеме кезінде, бұрын айтылғандай, байланыс кіріс моментіне пропорционалды болады. Жүктемесіз жағдайда байланыс статикалық байланысқа дейін төмендейді. Инерциялық айналу кезіндегі мінез-құлқы (әсіресе газ педалін кенеттен босату) LSD-нің 1 жолды, 1,5 жолды немесе 2 жолды екенін анықтайды. 2 жолды дифференциал алға және кері бағытта бірдей шектеу моментіне (Trq d) ие болады. Бұл дифференциал қозғалтқыш тежелу кезінде қандай да бір деңгейде шектеу әрекетін көрсетеді дегенді білдіреді. Алғашқы Packard Twin Traction құрылғысы осылай жұмыс істеу үшін жасалған, бұл басқа артықшылықты қамтамасыз ету мақсатында ұсынылды: егер артқы жетек доңғалағының бірі дифференциал жүктемелі болғанда кедергіге соғылып, жерден бір сәт көтерілсе, ауадағы доңғалақ бос айналмайды және доңғалақ қайта жерге тигенде көліктің жүруінен айырылмайды. Егер инерциялық айналу кезінде қосымша байланыс болмаса, яғни LSD 1 жолды болса, жүргізуші газ педалін босатқанда LSD ашылады және дәстүрлі ашық дифференциал сияқты әрекет етеді. Бұл сондай-ақ алдыңғы жетек автомобильдері үшін де жақсы, өйткені ол газ педалін босатқанда көлікті бұруға мүмкіндік береді, ал емес алға қарай жүруге мәжбүрлемейді. Глизманның бастапқы дизайны 1982 жылы оны сатуды бастаған The Gleason Works (кейін Gleason Corporation деп аталды) компаниясына сатылды. Бастапқы T 1 моделі C-клипті жетек осьтерімен үйлесімсіз, бұл сол кездегі көптеген автомобильдер мен пикаптарда оны қолдануды шектеді. Алайда, бастапқы Torsen дифференциалын жарыстарда Марио Андретти және Пол Ньюман сәтті пайдаланды. Кейінгі құртты тісті LSD конструкцияларының барлығы Глизманның бастапқы дифференциалынан алынған. T 1 Audi Quattro, Subaru Impreza WRX STI, Toyota Mega Cruiser және AM General HMMWV "Humvee" автомобильдерінде стандартты жабдық болып табылады. Torsen T 2 1984 жыл шамасында жасалған жаңа Gleasman дизайны (АҚШ патентінің WO1984003745 A1 өтініші) және C-клипті осьтермен үйлесімді. Жаңа дизайн, Zexel Gleason U.S.A. компаниясының құрылуымен бірге, Torsen-нің OEM және қосымша нарықта қолданылуын арттырды. Оның ішінде жарыс мақсатында алдын ала жүктеме беретін Positraction стиліндегі клинкасы бар T 2R және толық жетек қолдануына арналған екі дифференциалды T 3 модельдері бар. T 2 көптеген жоғары өнімді автомобильдер мен пикаптарда стандартты жабдық болып табылады. Eaton Corporation Truetrac дифференциалының соңғы иесі болып табылады, ол көп жылдар бойы өндірісте болып келеді. Оның дизайны Torsen T 2 дизайнына ұқсас (бірақ айналым күші сәл төмен), және көптеген танымал АҚШ-та жасалған артқы жетек және 4x4 пикаптар үшін қосымша бөлшек болып табылады. Truetrac көбінесе жолдан тыс пайдалануға арналған 4x4 пикаптардың алдыңғы осінде, орталық және артқы дифференциалдарды құлыптаумен бірге қолданылады. Барлық құртты тісті LSD конструкциялары сияқты, Truetrac басқа LSD және "локер" конструкцияларына тән рульді басқаруға ешқандай жағымсыз әсер етпейді.

Broadly speaking, there are three input torque states: load, no load, and over run. During load conditions, as previously stated, the coupling is proportional to the input torque. With no load, the coupling is reduced to the static coupling. The behavior on over run (particularly sudden throttle release) determines whether the LSD is 1 way, 1.5 way, or 2 way. A 2 way differential will have the same limiting torque Trq d in both the forward and reverse directions. This means the differential will provide some level of limiting action under engine braking. The early Packard Twin Traction unit is designed to function in this manner, which was promoted to provide a different benefit: if one rear drive wheel momentarily leaves the ground when it hits a bump with the differential under load, the airborne wheel will not spin freely and cause the vehicle to break traction when the spinning wheel touches the ground again. The argument is if there is no additional coupling on over run, i. e. a 1 way LSD as soon as the driver lifts the throttle, the LSD unlocks and behaves somewhat like a conventional open differential. This is also the best for FWD cars, as it allows the car to turn in on throttle release, instead of ploughing forward. The original Gleasman design was sold to The Gleason Works (later named Gleason Corporation), who started marketing it in 1982. The original T 1 model is incompatible with c clip drive axles, which limited its use with many cars and pick up trucks of the time. However, the original Torsen differential was used in racing by Mario Andretti and Paul Newman with great success. All later worm gear LSD designs were derived from the original Gleasman differential. The T 1 is original equipment in the Audi Quattro, Subaru Impreza WRX STI, Toyota Mega Cruiser and AM General HMMWV "Humvee". Torsen T 2 was a new Gleasman design circa 1984 (US Patent application WO1984003745 A1) that is compatible with c clip axles. The new design, along with a merger creating Zexel Gleason U. S. A. increased Torsen availability for OEM and aftermarket applications. Variants include the T 2R, which includes a Positraction style clutch pack that gives preload for racing purposes; and the T 3, a dual differential intended for AWD applications. The T 2 is original equipment in many high performance cars and pick up trucks. Eaton Corporation is the latest owner of the Truetrac differential, which has been in production for many years. Its design is similar to the Torsen T 2 (slightly less torque bias), and is an aftermarket part for many popular US made solid axles for rear wheel drive and 4x4 pick up trucks. The Truetrac is most often used in the front axle of 4x4 pick up trucks intended for off road use, in combination with locking center and rear differentials. As is the case with all geared LSD designs, the Truetrac does not have any negative impact on steering that most other LSD and "locker" designs are prone to.

Жылдамдыққа сезімталдық

Жылдамдыққа сезімтал дифференциалдар екі шығыш білігі арасындағы жылдамдық айырмашылығына байланысты шығыстар арасындағы айналым моментінің айырмашылығын, Trq d, шектейді. Сондықтан, егер шығыш біліктерінің айналу жылдамдықтары арасындағы айырмашылық аз болса, дифференциалдың жұмысы ашық дифференциалға ұқсас болуы мүмкін. Айналу жылдамдықтарының айырмашылығы артқан сайын, шектеуші айналым күші де артады. Бұл, айналым күшіне сезімтал дифференциалмен салыстырғанда, өзгеше динамикалық мінез-құлыққа алып келеді.

Жігітті (VLSD)

Сымқыл тип әдетте қарапайым, себебі ол жоғары тұтқырлыққа ие сұйықтықтардың гидродинамикалық үйкелісіне негізделген. Көбінесе силикон негізіндегі майлар қолданылады. Бұл жерде перфорацияланған дискілерден тұратын үйінді цилиндр пішіндес сұйықтық камерасы шығыс біліктерінің қалыпты қозғалысымен бірге айналады. Камераның ішкі беті біріктіру біліктерінің біріне, ал сыртқы беті дифференциал тасымалдағышына жалғанады. Дискілердің жартысы ішкі бетке, екінші жартысы сыртқы бетке, үйіндідегі ішкі/сыртқы дискілер кезектесіп жалғанады. Дифференциал қозғалысы дискілерді сұйықтық арқылы бір-біріне қарсы жылжуға мәжбүр етеді. Кейбір тұтқыр байланыстарда жылдамдық сақталғанда, үйкеліс салдарынан сұйықтық жылу жинақтайды. Бұл жылу сұйықтықты кеңейтеді, байланысты кеңейтіп, дискілерді бір-біріне тартады, нәтижесінде дискілер арасындағы тұтқырлық емес, пластиналар арасындағы үйкеліс пайда болады және жылдамдық айырмашылығы күрт төмендейді. Бұл құбылыс "дөңгелек" деп аталады және ол байланыстың бір жағын жұмсақ құлыптауға мүмкіндік береді. Механикалық типке қарағанда, шектеу әрекеті әлдеқайда жұмсақ және тайғаққа пропорционалды, сондықтан орташа жүргізушіге оңайырақ. New Process Gear бірнеше беру қораптарында Фергюсон стиліндегі тұтқыр байланысты қолданды, соның ішінде AMC Eagle-да қолданылғандары да бар. Тұтқыр ЛСД механикалық типтерге қарағанда тиімділігі төмен, яғни олар біршама қуатты "жоғалтады". Атап айтқанда, силиконды қыздырып жіберген кез келген ұзақ жүктеме дифференциал әсерінің кенеттен толық жоғалуына әкеледі. Олардың жұмсақ бұзылуға ұшырауының артығы бар, жартылай ашық дифференциал мінез-құлқына оралу қабілеті бар. Әдетте, 60000 миль (96560 км) немесе одан да көп жүрген вискоздық дифференциал көбінесе ашық дифференциал ретінде жұмыс істейді. Силикон майы зауытта дифференциалдың қалған бөлігін қоршап тұрған дифференциал майынан бөлек камерада герметикалық жабылады. Оны жөндеуге болмайды; дифференциалдың мінез-құлқы нашарлаған кезде VLSD орталық бөлігін ауыстыру қажет.

Героторлы сорғы

Бұл стильдегі шектелген тайғанақ дифференциалы героторлы сорғыны пайдалану арқылы жұмыс істейді, ол гидравликалық қысыммен муфтаны қысып, айналу моментін баяу айналатын дөңгелекке жеткізеді. Героторлы сорғы дифференциал тасымалдағышы немесе камерасы сорғының сыртқы роторын, ал бір осьтік білік сорғының ішкі роторын қозғалтады. Сол және оң дөңгелектердің айналу жылдамдықтары арасындағы айырмашылық пайда болғанда, сорғы гидравликалық сұйықтықты қысымға түсіреді, бұл муфтаның қысылуына себеп болады, соның салдарынан айналу моменті баяу айналатын дөңгелекке беріледі. Бұл сорғыға негізделген жүйелерде қолданылатын қысымның ең төменгі және ең жоғарғы шектері бар, бұл дифференциалға оң және сол дөңгелектер арасындағы жылдамдық айырмашылығы айтарлықтай болғанға дейін конвенциялық немесе ашық дифференциал сияқты жұмыс істеуге мүмкіндік береді, сондай-ақ гистерезис болдырмау үшін ішкі демпферлеуге ие. Ең жаңа героторлы сорғы жүйесі компьютермен реттелетін шығысқа ие, бұл оның мүмкіндіктерін арттырады және тербелісті жоққа шығарады.

Электрондық

Электрондық шектелген тайғанақ дифференциалында әдетте ашық дифференциалға ұқсас планетарлық немесе бұрыштық тісті доңғалақтар жиынтығы, сондай-ақ айналым моментіне сезімтал немесе героторлық сорғыға негізделген дифференциалдағыдай тұтқалық топтама болады. Электрондық құрылымда тұтқаға түсетін қысым күші компьютер немесе басқа басқару құрылғысы арқылы сырттан басқарылады. Бұл дифференциалдың шектеу айналым моментін, Trq d, шассиді басқарудың толық жүйесінің бір бөлігі ретінде басқаруға мүмкіндік береді. Осы типтегі дифференциалдың мысалы – Subaru WRX STi көлігінде қолданылатын Subaru DCCD. 2005 жылдан бастап өндірілген Jeep Quadra Drive II төрт дөңгелекті жетек жүйесі осы типтегі дифференциалды пайдаланады. Тағы бір мысал – Porsche 928 көлігінде қолданылатын Porsche PSD жүйесі. Қосымша мысал – eLSD-мен жабдықталған SAAB XWD (Haldex Generation 4), ол XWD жүйесінің бойлық және көлденең айналым моментін басқару үшін ортақ (көлік компьютерлік желісі арқылы электрондық түрде басқарылатын) гидравликалық қуат блогын қолданады. Осы Haldex жүйесі Cadillac SRX және басқа да GM Epsilon платформасындағы көліктерде де қолданылады.

Электрондық жүйелер: тежегіштік

Бұл жүйелер дәстүрлі шекті тайғанақ дифференциалына балама болып табылады. Жүйелер жылдамдық датчиктері, тежегіштерге қарсы іскендеу жүйесі (ABS) датчиктері, акселерометрлер және микрокомпьютерлер сияқты әртүрлі шасси сенсорларын пайдаланып, дөңгелектердің тайғанауын және көліктің қозғалысын электрондық түрде бақылайды. Шассиді басқару жүйесі дөңгелектің сырғанағанын анықтаса, компьютер сол дөңгелекке тежегішті қолданады. Жоғарыда аталған шекті тайғанақ дифференциалдық жүйелер мен осы тежегіш негіздегі жүйе арасындағы маңызды айырмашылық – тежегіш негіздегі жүйелердің өзінен-өзі баяу дөңгелекке үлкен күш жібермейтіні, сондай-ақ, көлік құралы тежегіш негіздегі жүйе үнемі іске қосылатын жағдайда пайдаланғанда, тежегіш материалдарының қосымша тозуы. BMW F10 5 сериясында қолданылатын электрондық шекті тайғанақ дифференциалы осындай жүйенің мысалы болып табылады. Тағы бір мысал – қайта жаңартылған және жаңа 4.6 литрлік V8 жоғары камералы Ford Crown Victoria модельінің 1992 жылғы алғашқы шығарылымы, оның опциялық тежегіштерге қарсы іскендеу жүйесі болды. Бұл опция 1992 жылғы Crown Victoria және одан кейінгі модельдерде, тежегіштерге қарсы іскендеу жүйесімен жабдықталған көліктерде қолжетімді болды.

Танымал мәдениетте

The Beach Boys тобының "409" әнінде лирикада шектеулі тайғақ дифференциалдың болуы айтылады: "Менің төрт жылдамдықты, екі карбюраторлы, Positraction 4 0 9 (4 0 9, 4 0 9)". 1992 жылғы "Мой кузен Винни" фильмінде екі жас жігіттің әділетсіз түрде кісі өлтіруде айыпталуынан босатылуының негізгі дәлелі – қылмыс жасаған көліктің дөңгелек іздерінің суреті. (Мариса Томейдің рөліндегі кейіпкердің атақты сөзінде айтылғандай) бұл дифференциал "1964 жылғы Buick Skylark көлігінде болмаған", осы көлікпен айыпталушылар жүрген. Ол дәлелдердің керісінше, қашқан көлік 1963 жылғы Pontiac Tempest болғанын көрсетеді, онда опциялық Safe T Track (Pontiac-тің Positraction нұсқасы) шектеулі тайғақ дифференциалы болған.