Диференційний редуктор: Як одна коробка дозволяє колесам обертатися з різною швидкістю

Чому жорстке важе не може повернути в повороті

Візьміть автомобіль і проведіть через поворот, і обидва керовані колеса більше не подорожують однаковою відстанню. Зовнішнє колесо долає більший круг, ніж внутрішнє, і у вузькому повороті ця різниця може бути значною – на типовому сімейному автомобілі вона становить кілька відсотків обертання колеса. Прикріпіть обидва колеса до одного жорсткого валу, і щось повинно здатися: або колесо тертя по асфальту кожного разу, коли автомобіль повертає, з'їдаючи шини та супротиву кермуванню, або сам вал звивається та затискається. Кожен практичний автомобіль замість цього використовує невелику коробку передач, диференціал, між заднім приводом і двома піввісями, щоб кожне колесо могло обертатися зі своєю швидкістю, а обидва отримували крутний момент від двигуна.

Гілки та павук

Всередині осі вантаження, вал напрямного обертає невеликий зубчатий передавач, який взаємодіє з великим кільцевим шестям (також відомим як корону), закріпленим до обертаючої клітки, носія. Встановлений всередині носія на поперечній кільцях розташовано два або чотири невеликі павутинні шестерні (зубні пірони), які взаємодіють із двома бічними шестям, одним закріпленим для кожної осі вантаження. Рухаючись прямо, обидва колеса хочуть обертатися з такою ж швидкістю, як і носій, тому павутинні шестерні залишаються нерухомими відносно клітки та просто обертаються разом із нею, передаючи крутний момент безпосередньо. При повороті обидва бічні шесті мають різні швидкості, тому павутинні шестерні починають обертатися самостійно по своїх осях, крім обертання, також і трохи швидше на повільніше та трохи повільніше на швидше, точно так же, як і пірс від перемикання дозволяє обом кінцям рухатися різними кількостями навколо фіксованого центру.

omega_left + omega_right = 2 * omega_carrier // відношення швидкості, завжди вірне torque_left = torque_right = torque_ring / 2 // відкрита диференціал: рівний розподіл, завжди вірне Ці дві рівняння - все, що потрібно для відкритої диференціальної передачі. Рівняння швидкості є чистою кінематикою - воно випливає з геометрії шестерень і тримає будь-яку ситуацію на колесах. Рівняння крутного моменту випливає з павутинних шестерень: кожна з них тисне на обидва бічні шесті однаковою силою зуба за конструкцією, тому як швидкості розподіляються, крутний момент завжди ділиться навпіл.

omega_left + omega_right = 2 * omega_carrier      // speed relation, always true
torque_left  = torque_right = torque_ring / 2     // open diff: equal split, always true

Критична помилка диференціала

Це фіксоване розподіл крутного моменту 50/50 є точно тим, що заплутує автомобіль з колесом на льоду. Колесо, яке обертається на гладкій поверхні без тертя, практично не потребує крутного моменту для продовження прискорення – воно майже не чинить опору. Оскільки диференціал змушує інше колесо, зчеплене, отримувати той самий крутний момент, що і котиться, а цей момент обмежений тим, наскільки добре це колесо може реагувати, то зчеплене колесо також позбавляється від крутного моменту. Двигун може виробляти повну потужність, але автомобіль все одно не рухається, оскільки слабке місце встановлює ліміт для обох боків.

Виправлення: обмежений прослиження, в'язкість та векторне керування моментом

Обмежений прослиження (ОП) диференціал додає шлях тертя між двома валами напівприводу, найчастіше пакет пластин зчеплення, стиснутий за допомогою попереднього напруження пружини та сходинок, які діють сильніше зі збільшенням моменту. Це шлях тертя може підтримувати різницю в моменті між колесами, дозволяючи колесу з кращим зчепленням отримувати більше ніж половину моменту замість того, щоб бути обмеженим колесом, що ковзає; відношення між двома колесами є бічним співвідношенням диференціала, зазвичай 2:1 до 4:1 у дорожньому автомобілі. В'язке з’єднання виконує ту ж функцію, використовуючи гелеподібну рідину з підвищеною в'язкістю між двома наборами перфорованих пластин, стійку до великих відмінностей швидкостей без необхідності механічного попереднього напруження. Торсен (диференціал із сенсором моменту) використовує черв’ячні передачі з геометрією, яка не може бути передіслана, щоб бічно направляти момент виключно через тертя зубчастих коліс без використання зчеплення. Найбільш потужні сучасні системи повністю ігнорують механічний компроміс: електричні автомобілі з подвійним приводом живлять кожен вал або кожне колесо окремим двигуном і дозволяють програмному забезпеченню надсилати точний момент, який вимагає кожен двигун, активно перенаправляючи тягу на зовнішнє колесо у повороті, щоб допомогти автомобілю обертатися в кут замість просто зупинки колеса від ковзання.

Спробуйте самі

Відкрийте симуляцію та розмістіть одну колісницю на ділянці з низьким тертям. Спостерігайте, як датчики крутного моменту з обох боків збігаються, навіть коли швидкість колеса різко зростає – ця одна картина і є основна причина труднощів при зимовому водінні на відкритому диференціалі.

Frequently asked questions

Спробуйте наживо

Усе, що вище, працює прямо у вашому браузері — відкрийте Differential Gear і змінюйте параметри під час роботи. Нічого не встановлюється, нічого не завантажується на сервер, уся модель живе в одній вкладці.