Торсионная труба: принцип работы и применение в автомобилях.

Введение

Система крутящего момента – это технология передачи мощности и торможения, включающая в себя неподвижный корпус вокруг карданного вала, часто используемый в автомобилях с передним расположением двигателя и задним приводом. Крутящая труба состоит из неподвижного корпуса большого диаметра, расположенного между коробкой передач и задним мостом, который полностью охватывает вращающийся трубчатый стальной вал или вал малого диаметра сплошного сечения (в США неофициально называемый "тросовым приводом"), передающий мощность двигателя на обычный или дифференциал повышенного трения. Назначение крутящей трубы – фиксировать задний мост при ускорении и торможении. В противном случае корпус моста подвергался бы деформации, из-за которой передняя часть дифференциала чрезмерно поднималась бы при ускорении и опускалась при торможении. В современных автомобилях эта система используется реже, чем привод Hotchkiss, который фиксирует задний мост и предотвращает его перемещение вверх или вниз при ускорении и торможении, закрепляя корпуса мостов к листовым рессорам посредством пружинных опор.

Строительство

Крутящий момент, о котором упоминается в названии, – это не крутящий момент приводного вала, расположенного вдоль оси автомобиля, а крутящий момент, создаваемый колесами. Инженерная задача, которую решает трубчатая передача крутящего момента, заключается в том, как передать тяговые усилия, генерируемые колесами, на раму автомобиля. Крутящий момент, приводящий колеса и оси вперед, встречает "равную и противоположную" реакцию корпуса оси и дифференциала, заставляя дифференциал стремиться вращаться в обратном направлении, подобно тому, как велосипедист "поднимает переднее колесо", поднимая велосипед в воздух в направлении, противоположном вращению колеса. Существенная проблема заключается в том, как предотвратить вращение дифференциала при ускорении и торможении. Трубчатая передача крутящего момента решает эту проблему, соединяя корпус дифференциала с корпусом трансмиссии и, следовательно, продвигая автомобиль вперед, оказывая давление на двигатель/трансмиссию, а затем через опоры двигателя на раму автомобиля, причем обратный процесс происходит при торможении. В отличие от привода Hotchkiss, который передает тяговые усилия на раму автомобиля посредством компонентов подвески, таких как листовые рессоры или продольные рычаги. Поскольку трубчатая передача крутящего момента не ограничивает кузов автомобиля относительно оси в поперечном (боковом) направлении, для этой цели часто используется панардный стержень. Сочетание панардного стержня и трубчатой передачи крутящего момента позволяет легко использовать мягкие витые пружины сзади для обеспечения комфортной езды, как, например, в автомобилях Buick после 1937 года. До 1937 года в автомобилях Buick использовались листовые рессоры, поэтому панардный стержень не применялся, хотя трубчатая передача крутящего момента позволяла использовать консольную подвеску на рессоре, которая обеспечивает более плавную езду, чем центральное крепление оси на листовой рессоре, как это требуется в конструкции Hotchkiss. Помимо передачи тяговых усилий, трубчатая передача крутящего момента является полой и содержит вращающийся карданный вал. Внутри полого корпуса находится карданный шарнир карданного вала, который обеспечивает относительное движение между двумя концами вала. В большинстве случаев карданный вал использует один карданный шарнир, который имеет недостаток в виде вызывания колебаний скорости вращения вала, когда вал не прямой. Привод Hotchkiss использует два карданных шарнира, что позволяет компенсировать колебания скорости и обеспечивает постоянную скорость даже при искривлении вала. Модели AMC Rambler 1963–1966 годов с двигателем V8 использовали двойной карданный шарнир постоянной скорости для устранения колебаний карданного вала, хотя в шестицилиндровых и более ранних моделях V8 использовался только один стандартный карданный шарнир. Конструкция трубчатой передачи крутящего момента, как правило, тяжелее и надежно соединяет заднюю часть, обеспечивая жесткость задней оси и гарантируя хорошее выравнивание в любых условиях. Однако из-за большего веса непружинящих масс трубчатой передачи крутящего момента и радиусных тяг может наблюдаться "небольшая раскачка задней оси при быстром прохождении поворотов или на неровных дорогах".

The "torque" that is referred to in the name is not that of the driveshaft, along the axis of the car, but that applied by the wheels. The engineering problem that the torque tube solves is how to get the traction forces generated by the wheels to the car frame. The torque moving the wheels and axles in a forward direction is met with an "equal and opposite" reaction of the axle housing and differential, making the differential want to spin in a reverse direction, in the same way that a cyclist "pops a wheelie", lifting the bicycle in the air in the opposite direction from the turn of the wheel. The essential problem is how to keep the differential from rotating during acceleration and braking. The torque tube solves that problem by coupling the differential housing to the transmission housing and therefore propels the car forward by pushing up on the engine/transmission and then through the engine mounts to the car frame, with the reverse happening during braking. In contrast, the Hotchkiss drive transmits the traction forces to the car frame by using suspension components such as leaf springs or trailing arms. Since the torque tube does not constrain the car's body to the axle in the lateral (side to side) direction a panhard rod is often used for this purpose. The combination of the panhard rod and the torque tube allows the easy implementation of soft coil springs in the rear to give good ride quality, as in Buicks after 1937. Before 1937, Buicks used leaf springs, so the panhard rod was not used, though the torque tube allowed a cantilever spring suspension, which gives a softer ride than a center mount axle on the leaf spring, as required by the Hotchkiss setup. In addition to transmitting traction forces, the torque tube is hollow and contains the rotating driveshaft. Inside the hollow torque ball is the universal joint of the driveshaft that allows relative motion between the two ends of the driveshaft. In most applications the drive shaft uses a single universal joint which has the disadvantage that it causes speed fluctuations in the driveshaft when the shaft is not straight. The Hotchkiss drive uses two universal joints, which has the effect of canceling the speed fluctuations and gives a constant speed even when the shaft is no longer straight V8 powered models of the 1963 1966 AMC Rambler used a double Cardan constant velocity joint to eliminate driveshaft fluctuations, though six cylinder and earlier V8 models used only one standard universal joint. The torque tube design is typically heavier and securely ties the rear end together, thus providing for a rigid rear end and assuring good alignment under all conditions. However, because of the greater unsprung weight of the torque tube and radius rods, there may be a "little hopping around of the rear end when cornering fast or on washboard roads".

Применение

Примерами использования крутящего момента были американские автомобили Ford до 1948 года, включая более 19 000 000 автомобилей модели T. Крутящая труба также позволила компании Buick, начиная с 1938 года, использовать витые пружины для более мягкой езды, чем традиционные листовые рессоры, которые могут использоваться с приводом Hotchkiss, но несовместимы с витыми пружинами. Использование Buick крутящей трубы и витых пружин стало своего рода «инженерной визитной карточкой» Buick, пока от нее не отказались в полноразмерных моделях 1961 года выпуска. Модель Nash 600 в 1941 году была оснащена приводом с крутящим моментом без закрытого шарнира, но использовала «горизонтальную вилку на переднем конце крутящей трубы, поддерживаемую резиновыми амортизаторами с каждой стороны». После слияния Nash и Hudson в 1954 году, American Motors Corporation (AMC) продолжала использовать конструкцию задней подвески с витыми пружинами и крутящей трубой на своих больших автомобилях (Rambler Classic и Ambassador) с 1956 по 1966 модельный год. Закрытый карданный вал усложнял замену передач и создавал трудности для любителей тюнинга. Устаревший привод с крутящим моментом был заменен совершенно новой открытой карданной осью и системой расположения задней оси на четырех рычагах. Pontiac Tempest 1961 года был представлен как новая модель с рядным 4-цилиндровым двигателем, соединенным с трансмиссией через крутящую трубу, что обеспечивало идеальный баланс веса 50/50 между передней и задней осями. Крутящие трубы использовались в моделях Peugeot 403 и 404. Peugeot 504 и Peugeot 505 универсалы/станции, а также большинство седанов, предназначенных для экспорта, также имели крутящие трубы, в то время как седаны для внутреннего и европейского рынков оснащались трансмиссией и независимой задней подвеской. Chevrolet Chevette (1976–1988) и аналогичный Pontiac T 1000 использовали крутящую трубу и центральный подшипник. Эта конструкция отличалась от всех других моделей Chevrolet «для изоляции ударов на задние колеса, снижения шума дороги и уменьшения вибрации двигателя, а также для уменьшения высоты карданного вала и туннеля». Продолжающееся ограниченное производство Avanti в 1986 году перешло на новое шасси, которое использовало крутящую трубу в сочетании с независимой задней подвеской. Mercedes SLS имеет крутящую трубу, но только для выравнивания трансмиссии с двигателем. Chevrolet Corvette использует крутящую трубу с момента выпуска версии C5 в 1997 модельном году.

Examples of the torque tube were the American cars of the Ford brand up through 1948, including over 19,000,000 Model Ts. The torque tube also allowed Buick, beginning in 1938, to use coil springs for a softer ride than traditional leaf springs, which can use a Hotchkiss drive, but coil springs cannot. Buick's use of a torque tube and coil springs became a Buick "engineering trademark", until it was dropped with the 1961 model year full sized models. The Nash 600 model adopted torque tube drive in 1941 without an enclosed joint, but utilized a "horizontal yoke at the front end of the torque tube is supported by rubber biscuits at each side." After the merger of Nash and Hudson in 1954, American Motors Corporation (AMC) continued to use the coil spring and torque tube rear suspension design on their large sized cars (Rambler Classic and Ambassador) from the 1956 through the 1966 model year. The enclosed driveshaft made for more complicated gear swaps and hampered hot rodders. The discontinued torque tube drive was replaced by a completely new open driveshaft and four link axle location system. The 1961 Pontiac Tempest was introduced as a new model, featuring an inline 4 coupled to a transaxle via a torque tube, giving it a perfect 50 50 front rear weight balance. The Peugeot 403 and 404 models used a torque tube. The Peugeot 504, and Peugeot 505 estate/station wagons, as well as most export market sedans also had torque tubes, while domestic and European market sedan models had a transaxle and individual rear suspension. The Chevrolet Chevette (1976 1988) and the similar Pontiac T 1000 used a torque tube and center bearing. This design was unlike any other Chevrolet model "to isolate impacts to the rear wheels, cut down on road noise, and reduce engine vibration also allows a reduction in the height of the drive shaft and tunnel." The continuing limited production of the Avanti switched to a new chassis in 1986 that utilized a torque tube along with an independent rear suspension. The Mercedes SLS has a torque tube, but only to align the transaxle with the engine. The Chevrolet Corvette has used a torque tube since the 1996 introduction of the C5 version in the 1997 model year.