Дифференциал повышенного трения: устройство и применение.

Введение

Дифференциал, ограничивающий разницу в скорости вращения выходных валов.
Другие значения LSD

Дифференциал с ограниченным проскальзыванием (LSD) – это тип дифференциальной передачи, который позволяет выходным валам вращаться с разной скоростью, но ограничивает максимальную разницу между ними. Дифференциалы с ограниченным проскальзыванием часто известны под общим товарным знаком Positraction, фирменным наименованием, принадлежащим General Motors и первоначально использовавшимся для автомобилей Chevrolet. Одним из примеров является тип B 70, использовавшийся во время Второй мировой войны в военных VW (Kübelwagen и Schwimmwagen), хотя технически это была не система ограниченного проскальзывания, а система, состоящая из двух обгонных муфт, которая передавала всю мощность двигателя на медленнее вращающееся колесо. Дифференциалы с ограниченным проскальзыванием получили широкое распространение американскими автопроизводителями в конце 1950-х годов и продавались под множеством запатентованных торговых марок. В начале 1956 года Packard представил дифференциал с ограниченным проскальзыванием с фрикционным типом под торговой маркой Twin Traction, рекламируя его как помощь при вождении в суровых зимних условиях. В 1957 году General Motors (GM) представила конкурирующую систему для автомобилей Chevrolet под названием Positraction. В течение нескольких лет другие американские автомобильные бренды представили аналогичные системы под различными названиями, включая Safe T Track для Pontiac (GM), Anti Spin для Oldsmobile, Traction Lok для Ford и Directed Power для Lincoln. Chrysler приобретала агрегаты Power Lok у Dana Incorporated и Spin Resistant у Borg Warner, продавая их под названием Sure Grip на автомобилях Chrysler, Dodge и Plymouth. Дифференциалы с ограниченным проскальзыванием стали очень популярными и востребованными в эпоху "мускул-каров" в 1960-х и 1970-х годах. Преимущества LSD в мощных автомобилях с задним приводом были продемонстрированы в американскую эпоху "мускул-каров" с середины 1960-х до начала 1970-х годов. Автомобили этой эпохи обычно имели задний привод и не оснащались независимой подвеской задних колес (вместо этого использовалась зависимая подвеска). При использовании зависимой подвески, при приложении высокого крутящего момента через дифференциал, сцепление с дорогой на правом заднем колесе снижается, поскольку ось естественным образом стремится вращаться вместе с крутящим моментом карданного вала (но удерживается неподвижной, будучи закрепленной на раме автомобиля). Это породило термины "одноколесное пробуксовывание" или "одноколесный пожар". Таким образом, "мускул-кары" с LSD или "пози" (Positraction) имели явное преимущество перед автомобилями, склонными к пробуксовке колес. Механические дифференциалы с ограниченным проскальзыванием считаются необходимыми для выполнения правильного дрифта.

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.

Двухсторонний, односторонний, полупутевой

В целом, можно выделить три состояния входного крутящего момента: нагрузка, отсутствие нагрузки и перегрузка. В условиях нагрузки, как уже упоминалось, величина блокировки пропорциональна входному крутящему моменту. При отсутствии нагрузки блокировка снижается до статической блокировки. Характер работы при перегрузке (особенно при резком отпускании дроссельной заслонки) определяет, является ли LSD односторонним, 1,5-сторонним или 2-сторонним. Дифференциал 2-го типа будет иметь одинаковый ограничивающий крутящий момент Trq d как при движении вперед, так и назад. Это означает, что дифференциал будет обеспечивать определенную степень ограничения при торможении двигателем. Ранний агрегат Packard Twin Traction был разработан для работы именно таким образом, что было представлено как дополнительное преимущество: если одно из задних ведущих колес на мгновение отрывается от земли при наезде на неровность под нагрузкой, то это колесо не будет вращаться свободно и вызывать потерю тяги при повторном контакте с дорогой. Утверждается, что при отсутствии дополнительной блокировки при перегрузке, то есть при использовании одностороннего LSD, как только водитель отпускает педаль газа, LSD разблокируется и ведет себя подобно обычному открытому дифференциалу. Это также оптимально для переднеприводных автомобилей, поскольку позволяет автомобилю поворачивать при отпускании газа, а не двигаться прямо. Оригинальная конструкция Глизмана была продана компании The Gleason Works (позже переименованной в Gleason Corporation), которая начала ее коммерческое производство в 1982 году. Оригинальная модель T 1 несовместима с полуосями с клипсовым креплением, что ограничивало ее применение во многих автомобилях и пикапах того времени. Однако оригинальный дифференциал Torsen успешно использовался в гонках Марио Андретти и Полом Ньюманом. Все последующие конструкции LSD с червячной передачей были разработаны на основе оригинального дифференциала Глизмана. T 1 является штатным оборудованием для Audi Quattro, Subaru Impreza WRX STI, Toyota Mega Cruiser и AM General HMMWV "Humvee". Torsen T 2 был новой конструкцией Gleasman, разработанной примерно в 1984 году (заявка на патент США WO1984003745 A1), которая совместима с полуосями с клипсовым креплением. Новая конструкция, а также слияние, в результате которого образовалась Zexel Gleason U. S. A., расширили доступность Torsen для OEM и вторичного рынка. Варианты включают T 2R, который включает в себя пакет фрикционных дисков типа Positraction, обеспечивающий предварительную нагрузку для гоночных целей; и T 3, двойной дифференциал, предназначенный для систем полного привода (AWD). T 2 является штатным оборудованием во многих высокопроизводительных автомобилях и пикапах. Корпорация Eaton является последним владельцем дифференциала Truetrac, который производится уже много лет. Его конструкция аналогична Torsen T 2 (с несколько меньшим уклоном в крутящем моменте) и является запасной частью для многих популярных американских цельных мостов для заднеприводных и полноприводных пикапов. Truetrac чаще всего используется на передней оси полноприводных пикапов, предназначенных для бездорожья, в сочетании с блокирующими центральными и задними дифференциалами. Как и в случае со всеми конструкциями LSD с зубчатой передачей, Truetrac не оказывает негативного влияния на управляемость, что характерно для большинства других конструкций LSD и "локеров".

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.

Чувствительность к скорости

Дифференциалы, чувствительные к скорости, ограничивают разницу крутящего момента между выходными валами, Trq d , в зависимости от разницы в скорости вращения этих валов. Таким образом, при небольших различиях скорости вращения выходных валов поведение дифференциала может быть очень близким к поведению открытого дифференциала. С увеличением разницы скоростей вращения увеличивается и ограничивающий крутящий момент. Это приводит к иному динамическому поведению по сравнению с дифференциалом, чувствительным к крутящему моменту.

Вязкая (VLSD)

Вязкий тип обычно проще, поскольку он основан на гидродинамическом трении от жидкостей с высокой вязкостью. Часто используются масла на основе силикона. Здесь цилиндрическая камера, заполненная стопкой перфорированных дисков, вращается вместе с нормальным движением выходных валов. Внутренняя поверхность камеры соединена с одним из приводных валов, а внешняя – с корпусом дифференциала. Половина дисков соединена с внутренней частью, другая половина – с внешней, диски чередуются в стопке. Дифференциальное движение заставляет перекрывающиеся диски перемещаться в жидкости друг относительно друга. В некоторых вязких муфтах при поддержании скорости жидкость накапливает тепло из-за трения. Это тепло приводит к расширению жидкости и расширению муфты, в результате чего диски прижимаются друг к другу, вызывая трение пластин, не связанное с вязкостью, и резкое уменьшение разницы в скоростях. Это явление известно как эффект "горба" и позволяет стороне муфты плавно блокироваться. В отличие от механического типа, ограничивающее действие гораздо мягче и более пропорционально пробуксовке, поэтому среднестатистическому водителю с ним легче справиться. New Process Gear использовала вязкую муфту в стиле Фергюсона в нескольких своих раздаточных коробках, в том числе в тех, что использовались в AMC Eagle. Вязкие дифференциалы повышенного трения (LSD) менее эффективны, чем механические, то есть они "теряют" некоторую мощность. В частности, любая продолжительная нагрузка, приводящая к перегреву силикона, вызывает внезапную и необратимую потерю дифференциального эффекта. Они обладают преимуществом в виде щадящего выхода из строя, возвращаясь к поведению, близкому к открытому дифференциалу. Как правило, вискодифференциал, прошедший 60000 миль (96560 км) или более, будет функционировать в основном как открытый дифференциал. Силиконовое масло герметично залито на заводе в отдельную камеру, отделенную от трансмиссионного масла, окружающего остальную часть дифференциала. Ремонт не предусмотрен; при ухудшении работы дифференциала необходимо заменить центральную часть VLSD.

Насос геротора

Этот дифференциал с ограниченным скольжением работает за счет использования гироторного насоса для гидравлического сжатия муфты, что обеспечивает передачу крутящего момента на колесо, вращающееся медленнее. Гироторный насос использует корпус дифференциала или крестовину для привода внешнего ротора насоса, а один из полуосей – для привода внутреннего ротора. При разнице в скорости вращения левого и правого колес насос создает давление в гидравлической жидкости, вызывая сжатие муфты и, следовательно, передачу крутящего момента на колесо с меньшей скоростью вращения. Эти системы, основанные на насосе, имеют ограничения по минимальному и максимальному давлению, что позволяет дифференциалу функционировать как обычный или открытый дифференциал до появления существенной разницы в скорости между правым и левым колесом, а также обеспечивают внутреннее демпфирование для предотвращения гистерезиса. Новейшая система с гироторным насосом имеет компьютерно-регулируемый выход для большей гибкости и исключает колебания.

Электронная

Электронный дифференциал с ограниченным скольжением обычно имеет планетарный или конический редуктор, аналогичный открытому дифференциалу, и пакет фрикционных дисков, подобный тому, что используется в дифференциалах, чувствительных к крутящему моменту, или основанных на героторном насосе. В электронной версии сила прижатия фрикционных дисков контролируется внешним компьютером или другим контроллером. Это позволяет управлять ограничивающим крутящим моментом дифференциала, Trq d , как частью комплексной системы управления шасси. Примером такого дифференциала является DCCD от Subaru, используемый в Subaru WRX STi. Система полного привода Jeep Quadra Drive II, выпускаемая начиная с 2005 года, также использует этот тип дифференциала. Другой пример – система Porsche PSD, применяемая на Porsche 928. Еще один пример – SAAB XWD (Haldex Generation 4) с eLSD, который использует общий (электронно управляемый через бортовую компьютерную сеть) гидравлический блок для управления как продольной, так и поперечной передачей крутящего момента в системе XWD. Та же система Haldex используется на ряде других автомобилей GM Epsilon, таких как Cadillac SRX и другие.

Электронные системы: на основе тормозных систем

Эти системы являются альтернативой традиционному дифференциалу с ограниченным проскальзыванием. Они используют различные датчики шасси, такие как датчики скорости, датчики антиблокировочной системы (ABS), акселерометры и микрокомпьютеры для электронного контроля проскальзывания колес и движения автомобиля. Когда система управления шасси определяет, что колесо пробуксовывает, компьютер подтормаживает это колесо. Важное отличие между системами дифференциала с ограниченным проскальзыванием, описанными выше, и этой тормозной системой заключается в том, что тормозные системы не направляют больший крутящий момент на более медленно вращающееся колесо по умолчанию, а также в дополнительном износе тормозных колодок, возникающем при использовании такой системы в условиях, когда она будет регулярно активироваться. Электронный дифференциал с ограниченным проскальзыванием BMW, применяемый в F10 5 Series, является примером такой системы. Другой пример появился в первый год выпуска (1992) обновленной модели Ford Crown Victoria с новым 4.6-литровым V-образным восьмицилиндровым двигателем с верхним расположением распредвала и опциональной антиблокировочной системой тормозов. Эта опция была доступна на Crown Victoria 1992 года выпуска и более поздних моделях, оснащенных антиблокировочными тормозами.

В популярной культуре

В песне "409" группы The Beach Boys в тексте упоминается наличие дифференциала повышенного трения: "Мои четыре скорости, двойной карбюратор, 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, во многом опирается на фотографию следов шин, оставленных автомобилем с дифференциалом повышенного трения, который (как знаменито заявляет героиня Марисы Томей в роли, отмеченной премией "Оскар") "не был доступен на Buick Skylark '64", автомобиле, на котором ездили обвиняемые. Она утверждает, что представленные доказательства указывают скорее на то, что автомобиль, использованный при побеге, был Pontiac Tempest 1963 года выпуска, который предлагал опциональный Safe-T-Track (версия Pontiac Positraction) дифференциал повышенного трения.