Samosvorný diferenciál (LSD) – Nezbytná součást pro zlepšení výkonu v zatáčkách
Obsah
Samosvorný diferenciálSamosvorný diferenciál (LSD) je prvek používaný v automobilech.Přenosová soustavaJedna klíčová technologie umožňuje změnu otáček vnějších a vnitřních hnacích kol během průjezdu zatáčkou. To zlepšuje trakci a stabilitu za různých podmínek na vozovce a zvyšuje tak výkon v zatáčkách.
Při otáčení pod určitým úhlem se vnitřní a vnější kroužek liší poloměry. Vnější kroužek se samozřejmě musí pohybovat delší dráhou a otáčet se rychleji než vnitřní kroužek. Jinak by (při stejné rychlosti) vnitřní kroužek prokluzoval a spotřebovával příliš mnoho otáček, což by znemožnilo plynulé otáčení. Stručně řečeno, diferenciál je mechanismus, který zajišťuje...Rotační rozdílyOrganizace.
Tradiční otevřené diferenciály umožňují otáčení kol různými rychlostmi, ale když jedno kolo prokluzuje, většina výkonu se přenáší na tuto stranu, což způsobuje ztrátu trakce druhého kola.Samosvorný diferenciálOmezením tohoto prokluzu se výkon rovnoměrněji rozděluje na obě kola, čímž se zlepšuje ovladatelnost a bezpečnost vozidla.
Samosvorné diferenciály se široce používají vzávoděníSamosvorné diferenciály se používají v terénních vozidlech a vysoce výkonných vozidlech. Jejich vývoj sahá až do počátku 20. století a vyvíjel se spolu s pokrokem v automobilovém průmyslu. Tento článek se bude zabývat historickými milníky a časovými osami samosvorných diferenciálů a představí modely se spojkou i převodovkou. Součástí článku bude časová osa, která ilustruje klíčové fáze vývoje. Vývoj samosvorných diferenciálů nejen odráží technické inovace, ale také pohání pokrok v automobilovém průmyslu. Prostřednictvím hloubkové analýzy jejich struktury, principů fungování, výhod, nevýhod a aplikací můžeme pochopit, jak se tato technologie rozšířila ze závodních vozidel do každodenních vozidel a jak nadále hraje roli v éře elektrifikace a inteligentní výroby.
Základní princip samosvorného diferenciálu je založen na třecích a převodových mechanismech. Když se vozidlo pohybuje v přímém směru, kola na obou stranách se otáčejí stejnou rychlostí a diferenciál funguje jako otevřený systém. Pokud však v zatáčkách nebo na kluzkém povrchu dojde k rozdílům v rychlosti, zasáhne samosvorný mechanismus, který omezí rozdíl rychlosti a přerozdělí točivý moment. To nejen zlepšuje trakci, ale také snižuje opotřebení pneumatik a plýtvání energií. V moderních vozidlech jsou samosvorné diferenciály často integrovány s elektronickými řídicími systémy (jako například…ABSaESCTato integrace poskytuje přesnější správu napájení. Diskuse začne historickým kontextem a bude pokračovat krok za krokem.
Historický vývoj a důležité milníky
Koncept samosvorného diferenciálu pochází z vylepšení tradičních diferenciálů. Zatímco samotné diferenciály lze vysledovat až do starověku, moderní samosvorný diferenciál je produktem 20. století. Níže uvádíme jeho klíčová historická období a milníky, které si podrobně popíšeme od počátků až po moderní inovace.
- Konec 19. až začátek 20. století: Položení základů pro diferenciály
Diferenciál poprvé vynalezl francouzský inženýr Onésiphore Pecqueur v roce 1827 pro použití v parních vozidlech. V roce 1897 britský inženýr...James StarleyTato technologie byla aplikována na jízdní kola a automobily. Toto období položilo základy pro základní principy diferenciálů, ale problém prokluzování zůstal nevyřešen. Podobná diferenciální zařízení, jako například mechanismus z Antikythéry, zaznamenali starověcí Řekové již v letech 100–70 př. n. l., ale k jejich skutečnému použití v automobilech došlo až koncem 19. století. Tyto rané konstrukce byly otevřené a nebyly schopny zvládnout prokluzování jednoho kola, což vedlo k potřebě dalších inovací.
- 30. léta 20. století: Zrod samosvorného diferenciálu
V roce 1932 automobilový inženýrFerdinand PorscheSpolečnost Porsche navrhla koncept samosvorného diferenciálu pro závodní vozy Auto Union, aby zlepšila jejich stabilitu v zatáčkách. Vysoce výkonné motory způsobovaly nadměrné prokluzování zadních kol při rychlostech až 160 km/h, což vedlo společnost Porsche k tomu, aby pověřila společnost ZF Friedrichshafen AG vývojem řešení. V roce 1935 získala společnost ZF patent, čímž oficiálně označila zrod samosvorného diferenciálu. V této době se primárně používal v závodech a řešil nedostatky otevřených diferenciálů na mokrém povrchu. Konstrukce „posuvného čepu a vačky“ od společnosti ZF byla během druhé světové války použita u vojenských vozidel Volkswagen, jako byly Kübelwagen a Schwimmwagen. Ačkoli se striktně vzato jednalo o systém volnoběhu, položil základy pro samosvorné diferenciály.
- 50. léta 20. století: Komercializace a popularizace
V 50. letech 20. století začaly americké automobilky jako Packard a Studebaker používat samosvorné diferenciály do sériově vyráběných vozidel. V roce 1956 představil Packard systém Twin Traction, jeden z prvních příkladů komercializace. Během tohoto období se samosvorné diferenciály rozšířily ze závodních vozů i do civilních vozidel, zejména do modelů s pohonem zadních kol. V roce 1957 představila společnost General Motors (GM) systém Positraction pro Chevrolet, následovaný systémem Safe-T-Track od Pontiac, systémem Anti-Spin od Oldsmobile, systémem Traction-Lok od Fordu a systémem Sure-Grip od Chrysleru. Tyto systémy se staly populárními v éře muscle carů a pojem Positraction se stal běžným termínem.
- 60. a 70. léta 20. století: Diverzifikace typů a technologický pokrok
V 60. letech 20. století se v muscle carech, jako byl Chevrolet Corvette, široce používaly kotoučové samosvorné diferenciály (například s lamelovou spojkou). V 70. letech 20. století vyvinula společnost Gleasman samosvorné diferenciály s převodovkou (například typu Torsen), které se zaměřovaly na rozdělování točivého momentu pomocí snímání. V tomto období došlo k první integraci elektronického řízení, což zlepšilo přesnost. V roce 1958 si Vernon Gleasman nechal patentovat samosvorný diferenciál Torsen, čímž zahájil praktické využití samosvorných diferenciálů.
- 80. a 90. léta 20. století: Elektronika a vysoce výkonné aplikace
V 80. letech 20. stoletíAudi QuattroSystém zahrnuje trvalý pohon všech kol v kombinaci s samosvorným diferenciálem. V 90. letech 20. století se objevily elektronické samosvorné diferenciály (elektronické LSD), jako například...BMWSystém DSC. Během tohoto období se samosvorné diferenciály staly standardní výbavou vysoce výkonných vozů. V roce 1982 jej společnost Torsen začala prodávat pro Audi Quattro a...Subaru Impreza WRX STIV roce 1996 uvedla společnost AAM na trh řadu TracRite pro zlepšení trakce.
- Od roku 2000 do současnosti: Moderní inovace a elektrifikace
V roce 2000 integrovaly samosvorné diferenciály systémy ABS a ESC. V posledních letech, s nástupem elektromobilů, jako je například systém s dvojitým motorem od Tesly, byla simulována funkce samosvorného diferenciálu. Ve 2020. letech 21. století hybridní vozidla dále optimalizovala technologii samosvorného diferenciálu, aby vyhovovala rekuperačnímu brzdění. Elektronicky řízené modely, jako je DCCD v Subaru Impreza WRX STI, umožňují řidiči nastavení.
| Časové období | Milník | Klíčoví přispěvatelé/aplikace | Zaměření na vývoj typů |
|---|---|---|---|
| 1827-1897 | Základní vynález diferenciálu | Onésiphore Pecqueur, James Starley | Založení otevřeného diferenciálu |
| 1932-1935 | Zrození a patenty konceptu samosvorného systému | Ferdinand Porsche, ZF | První konstrukce s omezeným prokluzem, závodní aplikace |
| 1956-1957 | Komerční aplikace | Packard Twin Traction, GM Positraction | S rozsáhlým rozšířením civilních vozidel se začínají používat kotoučové brzdy. |
| 1958-1970 | Patenty a diverzifikace společnosti Torsen založené na ozubených kolech | Vernon Gleasman, Chevrolet | Rozdíl mezi disky a ozubenými koly |
| 80. a 90. léta 20. století | Elektronická integrace a pohon všech kol | Audi Quattro, BMW DSC | Objeví se elektronický omezený prokluz |
| 1996-2000s | TracRite s moderní optimalizací | AAM, Tesla | Integrace ADAS pro přizpůsobení elektromobilům |
| 2020-současnost | Elektrifikace a integrace umělé inteligence | Subaru DCCD, hlavní výrobci automobilů | Inteligentní systém omezeného prokluzu |
Samosvorné diferenciály se rozšířily od závodních inovací do civilních aplikací a řeší nedostatky otevřených diferenciálů. Například v závodech F1 používala Lancia D50 v 50. letech 20. století samosvorný převodovku (LSD) ke zlepšení výkonu v zatáčkách.
Druhy LSD
Obecně se dělí na „typ se snímáním rotačního diferenciálu“ a „typ se snímáním točivého momentu“. Každý typ by měl být používán správně v závislosti na pohonném systému vozidla a zamýšleném použití. Typickým příkladem typu se snímáním rotačního diferenciálu je viskózní typ (silikonový olej je utěsněn uvnitř viskózní spojky a využívá smykovou sílu silikonového oleje k omezení diferenciálu), který je běžný zejména u vozidel s pohonem předních kol. To je účinné především na extrémně nízkých površích, jako je sníh, kde je velký rozdíl v rotaci mezi levým a pravým kolem.
Mechanismy snímání točivého momentu se běžně používají ve vozech FR (motor vpředu, pohon zadních kol). I když existuje mnoho typů mechanismů, ty používané ve sportovních vozech FR obvykle využívají odpor povrchu zubů u více kombinací převodů (Super LSD a...).TorsenMainstreamový typ je „typ“.
Kotoučový diferenciál s omezeným prokluzem (spojkový LSD)
Kotoučové samosvorné diferenciály, známé také jako spojkové nebo vícelamelové samosvorné diferenciály, patří k nejběžnějším typům. Jejich hlavní funkcí je využití třecích spojkových lamel k omezení prokluzu. Následující text podrobně popisuje jejich strukturu, princip činnosti, výhody, nevýhody a použití a rozebírá podtypy, jako jsou jednocestné, 1,5cestné a dvoucestné.
Strukturální analýza
Kotoučové diferenciály s omezeným prokluzem jsou založeny na otevřených diferenciálech s přidáním sestavy lamelové spojky. Mezi typické struktury patří:
- Skříň diferenciálu: Obsahuje soukolí a je spojena se vstupním hřídelem.
- Boční ozubená kola: spojte levou a pravou poloos.
- Planetové převodovky: umožňují diferenciální rychlosti.
- Sestava spojkové lamely: střídavé vnitřní a vnější lamely, přičemž vnitřní lamela je spojena s pouzdrem diferenciálu a vnější lamela s bočním pastorkem. Obvykle se používá tenká spojková lamela, jejíž jedna polovina je spojena s hnací hřídelí a druhá polovina s nosičem pavouka.
- Předpínací pružiny: zajišťují počáteční tření.
- Rampa nebo vačkový mechanismus: Zapne spojku, když dojde k rozdílu točivého momentu. Pavouk je namontován na čepu a umístěn ve zkosené drážce, čímž vzniká rampa vačky.
Například vEatonV systému Posi-Traction této společnosti jsou spojkové lamely vyrobeny z uhlíkových vláken nebo kovu, díky čemuž jsou tepelně odolné. Spojkové bloky mohou existovat na dvou hnací hřídeli nebo pouze na jednom; pokud je pouze jeden, zbývající hnací hřídele jsou spojeny pomocí pavoučích kol. Vícelamelové spojkové převodovky (LSD) jsou tzv. mechanické LSD s vícelamelovou strukturou spojky. Tento typ LSD nebyl v poslední době přijat pro hromadnou výrobu, ale zůstává nezbytnou součástí světa motoristického sportu. Je to proto, že „poměru kompenzace točivého momentu“ se dosahuje změnou úhlu vačky přítlačného kroužku a výběrem počtu spojkových lamel podle aplikace. ※Je to proto, že „počátečního točivého momentu“ lze volně nastavit, což vede k vynikající odezvě na omezení diferenciálu. ((※Poměr kompenzace točivého momentu = Vysoký točivý moment na straně μ ÷ Nízký točivý moment na straně μ)
Větší poměr rozdělení točivého momentu znamená větší schopnost upravovat rozdělení točivého momentu mezi vnitřní a vnější hnací kola a může pneumatikám dodat větší trakci s lepší přilnavostí. Sériově vyráběné LSD mají obvykle poměry rozdělení točivého momentu mezi 2,0 a 3,0.
Princip fungování
Když se kola normálně otáčejí a točivý moment je vyvážený, lamely spojky vykazují mírné tření, což umožňuje malý prokluz. Když jedno kolo prokluzuje (například na zledovatělé nebo zasněžené vozovce), rozdíl točivého momentu způsobí, že vačkový mechanismus stlačí lamely spojky blíže k sobě, čímž se zvýší tření a na kolo s trakcí se přenese větší točivý moment. Tření může být několikanásobkem hodnoty předpětí, s typickým poměrem omezeného prokluzu 1,5:1 až 3:1.
Během akcelerace jsou kotoučové samosvorné převodovky (LSD) účinnější, protože lamely spojky jsou pod zatížením stlačeny. Během decelerace se některé konstrukce (například jednocestné typy) nezapínají, aby se zabránilo nadměrné stabilizaci. Samosvorný moment Trq d je úměrný vstupnímu momentu; čím větší je vstupní moment, tím pevnější je záběr spojky. Fyzikálně to závisí na koeficientu tření μ a normálové síle N, přičemž třecí síla F = μN.
Klasifikace podtypů je založena na symetrii sklonu:
- 2cestnýRampa je symetrická a poskytuje stejný Trq d pro zrychlení i zpomalení, díky čemuž je vhodná pro závody a zajišťuje stabilitu brzdění motorem.
- Jednosměrný provozSklon je na jedné straně svislý (80–85°), účinný pouze při akceleraci a na druhé straně otevřený. Je vhodný pro vozidla s pohonem předních kol, aby se zabránilo přetáčivosti.
- 1,5cestnýSklon je asymetrický, s dopředným Trq d_fwd > zpětným Trq d_rev, ale oba jsou nenulové, což poskytuje mezilehlou rovnováhu.
Výhody a nevýhody
výhoda:
- Má rychlou dobu odezvy a je vhodný pro závody i jízdu v terénu.
- Cena je relativně nízká a tření se snadno seřizuje (výměnou spojkových lamel).
- Nabízí nastavitelný samosvorný diferenciál a udržuje přenos výkonu i při zvednutí pneumatik od země.
nedostatek:
- Spojkové lamely se opotřebovávají a vyžadují pravidelnou údržbu; může být nutné je vyměnit každých 60 000 mil.
- Výkon se snižuje při vysokých teplotách, což může způsobit hluk nebo vibrace.
- Za extrémních podmínek může přehřátí vést k poruše.
Příklady aplikací
Kotoučové LSD se široce používají ve vozidlech s pohonem zadních kol, jako napříkladFord MustangSystém Track Pack. V závodním poli, jako například...NASCARVysoce výkonné kotoučové převodovky LSD se používají ke zlepšení rychlosti v zatáčkách. V posledních letech se elektronicky asistované kotoučové převodovky LSD (jako například...)Mercedes-AMGSystém integruje senzory pro dynamické nastavení tření. Toto se uplatňuje u muscle carů, jako jsou...Chevrolet CorvettePro zlepšení bezpečnosti jízdy v zimě.
Varianty kotoučových převodovek LSD zahrnují kuželové spojky, které používají kuželové prvky místo lamel spojky k vytvoření tření v záběru. Když dojde k rozdílu otáček, kuželové ozubené kolo tlačí na skříň a vytváří třecí moment, který omezuje stranu s rychlým prokluzem. Mezní moment závisí na úhlu kužele a je omezen velikostí skříně.
Samosvorný diferenciál (LSD) s převodovkou
Samosvorné diferenciály s ozubeným mechanismem, známé také jako diferenciály snímající točivý moment nebo diferenciály typu Torsen, se pro rozložení točivého momentu spoléhají spíše na soukolí než na tření. Reprezentativním produktem je diferenciál Torsen od společnosti Gleason.
Strukturální analýza
Převodovka LSD s převodovkou nemá spojkovou lamelu a jedná se o čistě mechanickou konstrukci.
- Šnekové převody: Hlavní součást, sestávající ze šnekového převodu spojeného s bočním kolem a šneku spojeného s pouzdrem.
- Boční ozubená kola a planetová převodovka: podobná otevřeným ozubeným kolům, ale s přidanými ozubenými koly pro předpětí točivého momentu.
- Těleso a výstupní hřídel: Zajistěte záběr ozubených kol.
Torsen používá spirálová ozubená kola, kde odpor ozubeného kola automaticky rozděluje výkon, když dojde k rozdílu v točivém momentu. Mezi varianty patří Torsen T-1 (patentovaný v roce 1958) a T-2 (navržený v roce 1984, kompatibilní s hřídeli s C-sponou).
Princip fungování
Samosvorné převodovky s převodovkou využívají princip nevratného otáčení převodů. Během normální jízdy se ozubená kola volně otáčejí, což umožňuje rozdílnou rychlost. Když jedno kolo prokluzuje, rozdíl točivého momentu způsobí, že šnekový převod vyvine odpor a přenese točivý moment na druhou stranu. Poměr samosvornosti je pevný, obvykle se pohybuje od 2:1 do 5:1, v závislosti na úhlu natočení převodu.
Na rozdíl od kotoučového rozdělení točivého momentu je převodové rozdělení točivého momentu účinné jak pro zrychlení, tak pro zpomalení (dvoucestný typ) a nemá problémy s opotřebením. Poměr rozdělení točivého momentu je určen konstrukcí převodu a nevyžaduje žádnou externí regulaci. Fyzicky je předpětí točivého momentu založeno na tření převodu a oddělovací síle a Trq d se zvyšuje se vstupním točivým momentem.
Výhody a nevýhody
výhoda:
- Nevyznačuje se žádným třením ani opotřebením, má dlouhou životnost a vyžaduje minimální údržbu.
- Chodí plynule a tiše, takže je vhodný pro každodenní jízdu.
- Zůstává stabilní i při trvalém vysokém zatížení, například při jízdě v terénu na dlouhé vzdálenosti.
nedostatek:
- Jeho výroba je nákladná a složitá.
- Poměr skluzu je pevný a není snadné jej nastavit.
- Při úplné ztrátě trakce (například když je jedno kolo zavěšené ve vzduchu) není jeho výkon tak dobrý jako u kotoučového kola.
Příklady aplikací
Převodové diferenciály LSD se běžně používají ve vozidlech s pohonem všech čtyř kol, jako je například mezinápravový diferenciál v Audi Quattro. Terénní vozidla, jako například...Toyota Land CruiserPoužijte typ Torsen pro vylepšení terénních schopností. Vysoce výkonná vozidla, jako například...Porsche 911Kombinací převodového LSD s elektronickým systémem je optimalizováno rozdělení výkonu. Mezi další aplikace patří...Ford Focus RSQuaife ATB a Eaton Truetrac jsou k dispozici v provedení pickup 4x4.
Mezi varianty ozubeného kola patří šikmá ozubená kola, která využívají záběr levého a pravého planetového kola k vytváření tření, které omezuje rychleji se rotující stranu, když existuje rozdíl rychlostí. Používají se v aplikacích, jako je Suzuki Escudo.
Porovnání typu disku a typu ozubeného kola
Kotoučové a ozubené diferenciály s omezeným prokluzem mají své vlastní charakteristiky:
- účinnostKotoučový typ nabízí rychlejší odezvu a je vhodný pro agresivní jízdu; převodový typ poskytuje plynulejší jízdu a je vhodný pro jízdu na dlouhé vzdálenosti.
- TrvanlivostOzubené spojky mají zjevnou výhodu v tom, že se neopotřebovávají; lamelové spojky vyžadují údržbu.
- Cena a aplikaceKotoučový typ je úspornější a používá se u vozidel s pohonem zadních kol; převodový typ je špičkový a používá se u systémů pohonu všech kol.
- Budoucí trendyOba směřují k elektronizaci, jako je eLSD v kombinaci se senzory.
Srovnávací grafy:
| Porovnávací položky | Kotoučový samosvorný diferenciál | Samosvorný diferenciál s převodovkou |
|---|---|---|
| Základní mechanismus | Třecí spojkový kotouč | šnekový převod |
| Poměr omezeného prokluzu | Nastavitelný (1,5-3:1) | Pevná (2–5:1) |
| výhoda | Rychlá odezva, nízké náklady, nastavitelné | Odolný, tichý a plynulý |
| nedostatek | Opotřebení, přehřívání, hluk | Vysoká cena, fixní poměr, slabší než nulová trakce |
| Typické aplikace | závodní auta, auta s pohonem zadních kol | Pohon všech kol, terénní vozidlo |
| Požadavky na údržbu | Vysoká (výměna spojky) | Nízká (žádné opotřebitelné díly) |
| Reakce točivého momentu | Zvyšovat podle poměru vstupního točivého momentu | Automatické rozdělení tření převodovky |
Toto srovnání ukazuje, že kotoučové brzdy jsou vhodné pro požadavky na vysoký výkon, zatímco ozubené brzdy kladou důraz na spolehlivost. Na trati nabízejí kotoučové brzdy blokování 1:1, zatímco ozubené brzdy nemohou poskytnout úplné blokování.
Aplikace a budoucí vyhlídky
Samosvorné diferenciály jsou v moderních automobilech nepostradatelné. Například závodní vozy...F1Pokročilé samosvorné diferenciály (LSD) se používají ke zlepšení časů na kolo; elektromobily, jako je Rivian R1T, simulují funkčnost LSD. Mezi aplikace patří sportovní vozy, terénní vozidla, rallyové vozy, driftové vozy a závodní vozy. V budoucnu, s nástupem autonomního řízení, bude technologie samosvorných diferenciálů integrovat umělou inteligenci pro dynamické nastavení rozdělování brzdných účinků. V elektromobilech mohou systémy se dvěma motory softwarově simulovat samosvorné diferenciály, čímž se snižuje mechanická složitost.
Od své inovace ve 30. letech 20. století až po současnou elektronickou podobu byl samosvorný diferenciál svědkem pokroku v automobilovém inženýrství. Kotoučové a ozubené diferenciály splňovaly různé potřeby a poháněly rozvoj tohoto odvětví. Prostřednictvím časových os a grafů můžeme jasně pochopit jeho milníky. V budoucnu se technologie samosvorných diferenciálů bude dále vyvíjet a přizpůsobovat se elektrické a inteligentní éře.
Další čtení:
- Internetem koluje zvěst, že na 13. ulici To Kwa Wan došlo k vážnému incidentu, který otevřeně zpochybňuje pravomoc policie v oblasti činných v trestním řízení.
- Co je to koňská síla a točivý moment a kde se nacházejí?
- Muž řídicí pod vlivem drog byl konečně zadržen poté, co se v Tsim Sha Tsui vyhnul policii ve voze ve stylu GTA.
- 10 účinných metod úprav pro zlepšení ovladatelnosti vozu
