Hoe differentiëlen werken

Het differentieel is een apparaat dat het motorkoppel op twee manieren verdeelt, waardoor elke output met een andere snelheid kan draaien.

Het differentieel is te vinden op alle moderne auto's en vrachtwagens, en ook in veel voertuigen met vierwielaandrijving (fulltime vierwielaandrijving). Deze voertuigen met vierwielaandrijving hebben een differentieel nodig tussen elke set aangedreven wielen, en ze hebben er ook een nodig tussen de voor- en achterwielen, omdat de voorwielen een andere afstand afleggen door een bocht dan de achterwielen..

Parttime vierwielaangedreven systemen hebben geen differentieel tussen de voor- en achterwielen; in plaats daarvan zijn ze aan elkaar vergrendeld, zodat de voor- en achterwielen met dezelfde gemiddelde snelheid moeten draaien. Daarom zijn deze voertuigen moeilijk op beton te draaien als de vierwielaandrijving is ingeschakeld.

We beginnen met het eenvoudigste type differentieel, een genaamd open differentieel. Eerst moeten we wat terminologie onderzoeken: de afbeelding hieronder geeft een label aan de componenten van een open differentieel.

Als een auto recht over de weg rijdt, draaien beide aandrijfwielen met dezelfde snelheid. De input rondsel draait het ringwiel en de kooi, en geen van de rondsels in de kooi draait - beide zijtandwielen zijn effectief vergrendeld aan de kooi.

Deze inhoud is niet compatibel op dit apparaat.

Animatie met dank aan Geebee's Vector Animations

Merk op dat het ingangsrondsel een kleinere versnelling is dan het ringwiel; dit is de laatste versnelling in de auto. Je hebt misschien termen gehoord als achteras ratio of eindoverbrengingsverhouding. Deze verwijzen naar de overbrengingsverhouding in het differentieel. Als de eindoverbrengingsverhouding 4,10 is, heeft de ringtandwiel 4,10 keer zoveel tanden als het ingaande rondsel. Zie Hoe tandwielen werken voor meer informatie over overbrengingsverhoudingen.

Als een auto een bocht maakt, moeten de wielen met verschillende snelheden draaien.

Deze inhoud is niet compatibel op dit apparaat.

Animatie met dank aan Geebee's Vector Animations

In de bovenstaande afbeelding kun je zien dat de rondsels in de kooi beginnen te draaien als de auto begint te draaien, waardoor de wielen met verschillende snelheden kunnen bewegen. Het binnenwiel draait langzamer dan de kooi, terwijl het buitenwiel sneller draait.

Open differentieel - recht (600 KB)

Deze inhoud is niet compatibel op dit apparaat.

Open differentieel - draaien (1,1 MB)

Deze inhoud is niet compatibel op dit apparaat.

Het open differentieel past altijd hetzelfde aantal koppel aan elk wiel. Er zijn twee factoren die bepalen hoeveel koppel er op de wielen kan worden toegepast: uitrusting en tractie. In droge omstandigheden, als er voldoende tractie is, wordt de hoeveelheid koppel die op de wielen wordt uitgeoefend, beperkt door de motor en de versnelling; in een situatie met weinig trekkracht, zoals bij het rijden op ijs, wordt de hoeveelheid koppel beperkt tot de grootste hoeveelheid waardoor een wiel onder die omstandigheden niet gaat slippen. Dus hoewel een auto misschien meer koppel kan produceren, moet er voldoende tractie zijn om dat koppel op de grond over te brengen. Als je de auto meer gas geeft nadat de wielen gaan slippen, gaan de wielen gewoon sneller draaien.

Op dun ijs

Als je ooit op ijs hebt gereden, weet je misschien een truc die het accelereren gemakkelijker maakt: als je in de tweede versnelling of zelfs in de derde versnelling begint in plaats van de eerste, heb je vanwege de versnelling in de transmissie minder koppel beschikbaar naar de wielen. Dit maakt het gemakkelijker om te accelereren zonder de wielen te laten draaien.

Wat gebeurt er als een van de aandrijfwielen een goede tractie heeft en de andere op ijs staat? Dit is waar het probleem met open differentiëlen om de hoek komt kijken.

Onthoud dat het open differentieel altijd hetzelfde koppel op beide wielen uitoefent, en dat de maximale hoeveelheid koppel wordt beperkt tot de grootste hoeveelheid waardoor de wielen niet slippen. Er is niet veel koppel voor nodig om een ​​band op ijs te laten slippen. En wanneer het wiel met goede tractie slechts het zeer kleine koppel krijgt dat op het wiel met minder tractie kan worden toegepast, zal uw auto niet veel rijden..

Van de weg af

Een andere keer dat open differentiëlen u in de problemen kunnen brengen, is wanneer u offroad rijdt. Als je een vrachtwagen met vierwielaandrijving of een SUV hebt met een open differentieel aan de voor- en achterkant, kun je vastlopen. Onthoud nu - zoals we op de vorige pagina vermeldden, past het open differentieel altijd hetzelfde koppel toe op beide wielen. Als een van de voorbanden en een van de achterbanden van de grond komen, draaien ze gewoon hulpeloos in de lucht en kun je helemaal niet meer bewegen.

De oplossing voor deze problemen is de sperdifferentieel (LSD), ook wel genoemd positraction. Sperdifferentiëlen gebruiken verschillende mechanismen om een ​​normale differentiële werking mogelijk te maken bij het nemen van bochten. Wanneer een wiel slipt, kunnen ze meer koppel overbrengen op het niet-slippende wiel.

In de volgende secties worden enkele van de verschillende soorten sperdifferentiëlen beschreven, waaronder de LSD van het koppelingstype, de viscosekoppeling, het sperdifferentieel en het Torsen-differentieel..

Het differentieel met beperkte slip van het koppelingstype voegt een veerpakket en een set koppelingen toe aan het open differentieel. Afbeelding ter beschikking gesteld door de Torque Control Products Division van Eaton Automotive Group

De LSD van het koppelingstype is waarschijnlijk de meest voorkomende versie van het differentieel met beperkte slip

Dit type LSD heeft allemaal dezelfde componenten als een open differentieel, maar het voegt een lente pack en een set van koppelingen. Sommige hebben een kegelkoppeling die lijkt op de synchronizers in een handgeschakelde versnellingsbak.

Het verenpakket duwt de zijtandwielen tegen de koppelingen, die aan de kooi zijn bevestigd. Beide zijversnellingen draaien met de kooi mee als beide wielen met dezelfde snelheid bewegen, en de koppelingen zijn niet echt nodig - de enige keer dat de koppelingen ingrijpen, is wanneer er iets gebeurt waardoor het ene wiel sneller draait dan het andere, zoals in een draai. De koppelingen bestrijden dit gedrag en willen dat beide wielen dezelfde snelheid hebben. Als het ene wiel sneller wil draaien dan het andere, moet het eerst de koppeling overmeesteren. De stijfheid van de veren in combinatie met de wrijving van de koppeling bepalen hoeveel koppel er nodig is om hem te overmeesteren.

Terugkomend op de situatie waarin het ene aandrijfwiel zich op het ijs bevindt en het andere goede tractie heeft: met dit differentieel met beperkte slip kan het andere wiel weliswaar niet veel koppel op de grond overbrengen, ook al kan het wiel op het ijs nog steeds het koppel krijgen dat het nodig heeft om te bewegen. Het koppel dat aan het wiel wordt geleverd, niet op het ijs, is gelijk aan de hoeveelheid koppel die nodig is om de koppelingen te overmeesteren. Het resultaat is dat u vooruit kunt, maar nog niet met het volle vermogen van uw auto.

Deze inhoud is niet compatibel op dit apparaat.

De viskeuze koppeling wordt vaak aangetroffen in voertuigen met vierwielaandrijving. Het wordt vaak gebruikt om de achterwielen aan de voorwielen te koppelen, zodat wanneer een set wielen begint te slippen, het koppel wordt overgebracht naar de andere set..

De viskeuze koppeling heeft twee sets platen in een afgedichte behuizing die is gevuld met een dikke vloeistof, zoals hieronder weergegeven. Op elke uitgaande as is een set platen aangesloten. Onder normale omstandigheden draaien beide sets platen en de stroperige vloeistof met dezelfde snelheid. Wanneer de ene set wielen sneller probeert te draaien, misschien omdat hij slipt, draait de set platen die bij die wielen hoort sneller dan de andere. De stroperige vloeistof, die tussen de platen zit, probeert de snellere schijven in te halen en sleept de langzamere schijven mee. Dit brengt meer koppel over naar de langzamere wielen - de wielen die niet slippen.

Als een auto draait, is het snelheidsverschil tussen de wielen niet zo groot als wanneer een wiel slipt. Hoe sneller de platen ten opzichte van elkaar draaien, hoe meer koppel de viskeuze koppeling overbrengt. De koppeling heeft geen invloed op bochten omdat de hoeveelheid koppel die tijdens een draai wordt overgedragen zo klein is. Dit benadrukt echter ook een nadeel van de viskeuze koppeling: er vindt geen koppeloverdracht plaats totdat een wiel daadwerkelijk begint te slippen.

Een eenvoudig experiment met een ei zal het gedrag van de viskeuze koppeling helpen verklaren. Als je een ei op de keukentafel legt, staan ​​de schaal en de dooier beide stil. Als je het ei plotseling ronddraait, zal de schaal een seconde sneller bewegen dan de dooier, maar de dooier zal snel inhalen. Om te bewijzen dat de dooier ronddraait, stop je het snel zodra je het ronddraait en laat het los - het ei zal weer gaan draaien (tenzij het hard gekookt is). In dit experiment hebben we de wrijving tussen de schaal en de dooier gebruikt om kracht uit te oefenen op de dooier en deze te versnellen. Toen we de schaal stopten, oefende die wrijving - tussen de nog bewegende dooier en de schaal - kracht uit op de schaal, waardoor deze versnelde. Bij een viskeuze koppeling wordt de kracht tussen de vloeistof en de sets platen op dezelfde manier uitgeoefend als tussen de dooier en de schaal.

Afbeelding ter beschikking gesteld door de Torque Control Products Division van Eaton Automotive Group

De sperdifferentieel is handig voor serieuze terreinwagens. Dit type differentieel heeft dezelfde onderdelen als een open differentieel, maar voegt een elektrisch, pneumatisch of hydraulisch mechanisme toe om de twee uitgaande tandwielen aan elkaar te vergrendelen.

Dit mechanisme wordt meestal handmatig geactiveerd door een schakelaar, en wanneer geactiveerd, zullen beide wielen met dezelfde snelheid draaien. Als het ene wiel van de grond raakt, weet het andere wiel het niet. Beide wielen blijven met dezelfde snelheid draaien alsof er niets was veranderd.

De Torsen differentieel* is een puur mechanisch apparaat; het heeft geen elektronica, koppelingen of stroperige vloeistoffen.

-De Torsen (uit Torque Sensing) werkt als een open differentieel wanneer het koppel dat naar elk wiel gaat gelijk is. Zodra een wiel grip begint te verliezen, zorgt het verschil in koppel ervoor dat de versnellingen in het Torsen-differentieel aan elkaar binden. Het ontwerp van de versnellingen in het differentieel bepaalt de koppel bias ratio. Als een bepaald Torsen-differentieel bijvoorbeeld is ontworpen met een voorspanning van 5: 1, kan het tot vijf keer meer koppel toepassen op het wiel met een goede tractie..

Deze apparaten worden vaak gebruikt in hoogwaardige voertuigen met vierwielaandrijving. Net als de viskeuze koppeling worden ze vaak gebruikt om kracht over te brengen tussen de voor- en achterwielen. In deze toepassing is de Torsen superieur aan de viskeuze koppeling omdat het koppel op de stabiele wielen overbrengt voordat het daadwerkelijke slippen optreedt.

Als een set wielen echter volledig grip verliest, kan het Torsen-differentieel geen koppel aan de andere set wielen leveren. De bias-ratio bepaalt hoeveel koppel kan worden overgedragen, en vijf keer nul is nul.

*TORSEN is een geregistreerd handelsmerk van Zexel Torsen, Inc.

Hummer!

De HMMWV, of Hummer, gebruikt Torsen®-differentiëlen op de voor- en achteras. De gebruikershandleiding voor de Hummer stelt een nieuwe oplossing voor voor het probleem van een wiel dat van de grond komt: gebruik de remmen. Door te remmen, wordt koppel toegepast op het wiel dat in de lucht is, en vervolgens kan vijf keer dat koppel naar het wiel gaan met goede tractie.

gerelateerde artikelen

• Hoe automotoren werken
• Hoe handmatige transmissies werken
• Hoe versnellingen werken
• Hoe vierwielaandrijving werkt
• Hoe kracht, kracht, koppel en energie werken

Meer geweldige links

• Pyle Bros: Differentiële terminologie
• De ontwikkeling van een differentieel ter verbetering van de tractiecontrole
• Powertrax