Hur skillnader fungerar

Differentialen är en enhet som delar motorns vridmoment på två sätt, vilket gör att varje utgång kan snurra med olika hastighet.

Skillnaden finns på alla moderna bilar och lastbilar, och även i många fyrhjulsdrivna fordon (heltid fyrhjulsdrift). Dessa fyrhjulsdrivna fordon behöver en skillnad mellan varje uppsättning drivhjul, och de behöver också en mellan fram- och bakhjulen, eftersom framhjulen reser ett annat avstånd genom en svängning än bakhjulen.

Deltid fyrhjulsdrivna system har ingen skillnad mellan fram- och bakhjulen; istället låses de ihop så att fram- och bakhjulen måste vridas med samma genomsnittliga hastighet. Det är därför dessa fordon är svåra att sätta på betong när fyrhjulsdrivningssystemet är aktiverat.

Vi börjar med den enklaste typen av differentiell, kallad en öppen skillnad. Först måste vi utforska vissa terminologier: Bilden nedan markerar komponenterna i en öppen differensial.

När en bil kör rakt ner på vägen snurrar båda drivhjulen med samma hastighet. De ingångsstift vrider ringväxeln och buret, och ingen av kugghjularna i buren roterar - båda sidoväxlarna är effektivt låsta i buret.

Detta innehåll är inte kompatibelt på den här enheten.

Animering med tillstånd av Geebee's Vector Animations

Observera att ingången är en mindre växel än ringväxeln; detta är den sista växellådan i bilen. Du kanske har hört termer som bakaxelförhållande eller slutförhållande. Dessa hänvisar till växelförhållandet i differensen. Om det slutliga drivförhållandet är 4,10, har ringväxeln 4,10 gånger så många tänder som ingångshjulet. Se hur Gears fungerar för mer information om växelförhållanden.

När en bil svänger måste hjulen snurra i olika hastigheter.

Detta innehåll är inte kompatibelt på den här enheten.

Animering med tillstånd av Geebee's Vector Animations

I figuren ovan kan du se att kugghjularna i buren börjar snurra när bilen börjar svänga, vilket gör att hjulen kan röra sig i olika hastigheter. Det inre hjulet snurrar långsammare än buret, medan det yttre hjulet snurrar snabbare.

Öppen Differential - Rak (600KB)

Detta innehåll är inte kompatibelt på den här enheten.

Open Differential - Turnning (1.1MB)

Detta innehåll är inte kompatibelt på den här enheten.

Den öppna skillnaden gäller alltid samma mängd vridmoment till varje hjul. Det finns två faktorer som avgör hur mycket vridmoment som kan appliceras på hjulen: utrustning och dragkraft. Vid torra förhållanden, när det finns gott om dragkraft, begränsas mängden vridmoment som appliceras på hjulen av motorn och växeln; i en låg dragkraftssituation, t.ex. vid körning på is, är mängden vridmoment begränsat till den största mängden som inte får ett hjul att glida under dessa förhållanden. Så även om en bil kan producera mer vridmoment måste det finnas tillräckligt med dragkraft för att överföra detta vridmoment till marken. Om du ger bilen mer gas efter att hjulen börjar glida kommer hjulen bara att snurra snabbare.

På tunn is

Om du någonsin har kört på is kanske du känner till ett trick som underlättar accelerationen: Om du startar i andra växel eller till och med tredje växel, istället för först, på grund av växeln i växellådan har du mindre vridmoment tillgängligt till hjulen. Detta gör det lättare att accelerera utan att snurra hjulen.

Vad händer nu om ett av drivhjulen har bra dragkraft och det andra är på is? Det är här problemet med öppna skillnader kommer in.

Kom ihåg att den öppna skillnaden alltid tillämpar samma vridmoment på båda hjulen, och den maximala mängden vridmoment är begränsad till den största mängden som inte får hjulen att glida. Det krävs inte mycket vridmoment för att få ett däck på isen. Och när hjulet med bra dragkraft bara får det mycket lilla vridmomentet som kan appliceras på hjulet med mindre dragkraft kommer din bil inte att röra sig så mycket.

Av vägen

En annan tidsöppnad skillnad kan få dig till problem är när du kör off-road. Om du har en fyrhjulsdriven lastbil, eller en SUV, med en öppen skillnad på både fram och bak, kan du fastna. Kom ihåg nu - som vi nämnde på föregående sida tillämpar den öppna skillnaden alltid samma vridmoment på båda hjulen. Om ett av de främre däcken och ett av de bakre däcken kommer från marken, kommer de bara att snurra hjälplöst i luften, och du kommer inte att kunna röra dig alls.

Lösningen på dessa problem är begränsad glidskillnad (LSD), ibland kallad positraction. Begränsade slipdifferenser använder olika mekanismer för att möjliggöra normal differentiell handling när man går runt svängar. När ett hjul glider tillåter de mer vridmoment att överföras till det icke-glidande hjulet.

De följande sektionerna kommer att beskriva några av de olika typerna av begränsade glidskillnader, inklusive LSD kopplingstyp, den viskösa kopplingen, låsningsskillnaden och Torsensifferential.

Den begränsade gliddifferentialen av kopplingen lägger till en fjäderpaket och en uppsättning kopplingar till den öppna differensen. Bild med tillstånd av Eaton Automotive Groups division för momentkontrollprodukter

LSD-kopplingen är förmodligen den vanligaste versionen av den begränsade gliddifferensen

Denna typ av LSD har alla samma komponenter som en öppen skillnad, men den lägger till en vårpaket och en uppsättning kopplingar. Vissa av dessa har en konkoppling som är precis som synkronisatorerna i en manuell växellåda.

Fjäderpaketet skjuter sidoväxlarna mot kopplingarna, som är fästa i buren. Båda sidoväxlarna snurrar med buren när båda hjulen rör sig med samma hastighet, och kopplingarna behövs inte riktigt - den enda gången kopplingarna tränger in är när något händer för att få ett hjul att snurra snabbare än det andra, som i en sväng. Kopplingarna bekämpar detta beteende och vill att båda hjulen ska ha samma hastighet. Om det ena hjulet vill snurra snabbare än det andra, måste det först överbrygga kopplingen. Fjädrarnas styvhet i kombination med friktionen i kopplingen bestämmer hur mycket vridmoment det tar för att överträffa det.

Att komma tillbaka till situationen där ett drivhjul är på isen och det andra har bra dragkraft: Med denna begränsade slipdifferensial, även om hjulet på isen inte kan överföra mycket vridmoment till marken, kommer det andra hjulet att få fortfarande vridmomentet som den behöver för att röra sig. Det vridmoment som tillförs hjulet inte på isen är lika med mängden vridmoment som krävs för att överbrygga kopplingarna. Resultatet är att du kan gå framåt, men ändå inte med din fulla kraft.

Detta innehåll är inte kompatibelt på den här enheten.

De viskös koppling finns ofta i fyrhjulsdrivna fordon. Det används vanligtvis för att koppla bakhjulen till framhjulen så att när en uppsättning hjul börjar glida överförs vridmoment till den andra uppsättningen.

Den viskösa kopplingen har två uppsättningar plattor inuti ett tätat hölje som är fylld med en tjock vätska, som visas nedan. En uppsättning plattor är ansluten till varje utgångsaxel. Under normala förhållanden snurrar båda uppsättningarna plattor och den viskösa vätskan med samma hastighet. När en uppsättning hjul försöker snurra snabbare, kanske för att den glider, snurrar uppsättningen plattor som motsvarar dessa hjul snabbare än den andra. Den viskösa vätskan, som sitter fast mellan plattorna, försöker komma ikapp de snabbare skivorna och dra de långsammare skivorna. Detta överför mer vridmoment till de långsammare rörliga hjulen - hjulen som inte glider.

När en bil roterar är skillnaden i hastighet mellan hjulen inte lika stor som när ett hjul glider. Ju snabbare plattorna snurrar relativt varandra, desto mer vridmoment överför den viskösa kopplingen. Kopplingen stör inte svängarna eftersom mängden vridmoment som överförs under en sväng är så liten. Detta belyser emellertid också en nackdel med den viskösa kopplingen: Ingen överföring av vridmoment sker förrän ett hjul faktiskt börjar glida.

Ett enkelt experiment med ett ägg hjälper till att förklara beteendet hos den viskösa kopplingen. Om du sätter ett ägg på köksbordet är skalet och äggulan båda stilla. Om du plötsligt snurrar ägget, kommer skalet att röra sig snabbare än äggulan under en sekund, men äggulan kommer snabbt att ta sig igen. För att bevisa att äggulan snurrar, när du har ägget snurrar du snabbt och släpper sedan - ägget börjar snurra igen (såvida det inte är hårt kokt). I detta experiment använde vi friktionen mellan skalet och äggulan för att applicera kraft på äggulan och påskynda den. När vi stoppade skalet, applicerade den friktionen - mellan den fortfarande rörliga äggulan och skalet - kraft på skalet och fick den att påskyndas. I en viskös koppling appliceras kraften mellan vätskan och plattuppsättningarna på samma sätt som mellan äggulan och skalet.

Bild med tillstånd av Eaton Automotive Groups division för momentkontrollprodukter

De låsningsskillnad är användbart för allvarliga terrängfordon. Denna typ av differensial har samma delar som en öppen differensial, men lägger till en elektrisk, pneumatisk eller hydraulisk mekanism för att låsa de två utgångarna.

Denna mekanism aktiveras vanligtvis manuellt med omkopplaren, och när den aktiveras kommer båda hjulen att snurra med samma hastighet. Om det ena hjulet hamnar utanför marken, känner inte eller bryr det andra hjulet. Båda hjulen fortsätter att snurra med samma hastighet som om ingenting hade förändrats.

De Torsen differentiell* är en rent mekanisk anordning; den har ingen elektronik, kopplingar eller viskösa vätskor.

-Torsen (från Torque Sensing) fungerar som en öppen skillnad när vridmomentet som går till varje hjul är lika. Så snart ett hjul börjar förlora dragkraft, får skillnaden i vridmoment att växlarna i Torsens differensial binds ihop. Utformningen av kugghjulen i differensen bestämmer vridmomentförspänning. Om till exempel en viss Torsen-skillnad är utformad med ett förspänningsförhållande på 5: 1 kan den applicera upp till fem gånger mer vridmoment på hjulet som har bra dragkraft.

Dessa enheter används ofta i högpresterande fyrhjulsdrivna fordon. Liksom den viskösa kopplingen används de ofta för att överföra kraft mellan fram- och bakhjulen. I denna ansökan är Torsen överlägsen den viskösa kopplingen eftersom den överför vridmoment till de stabila hjulen innan den faktiska glidningen inträffar.

Men om en uppsättning hjul förlorar dragkraften helt, kommer Torsens differensial inte att kunna leverera något vridmoment till den andra hjuluppsättningen. Förspänningsförhållandet bestämmer hur mycket vridmoment som kan överföras och fem gånger noll är noll.

*TORSEN är ett registrerat varumärke som tillhör Zexel Torsen, Inc.

Hummer!

HMMWV, eller Hummer, använder Torsen®-skillnader på fram- och bakaxlarna. Ägarmanualen för Hummer föreslår en ny lösning på problemet med att ett hjul kommer från marken: Applicera bromsarna. Genom att applicera bromsarna appliceras vridmomentet på hjulet som är i luften, och sedan fem gånger det vridmomentet kan gå till hjulet med bra dragkraft.

relaterade artiklar

• Hur bilmotorer fungerar
• Hur manuella överföringar fungerar
• Hur Gears fungerar
• Så fungerar fyrhjulsdrift
• Hur kraft, kraft, moment och energi fungerar

Fler bra länkar

• Pyle Bros: Differential Terminology
• Utvecklingen av en skillnad för förbättring av dragkontroll
• Powertrax