Mechanizmy różnicowe; Polskie prace badawczo-rozwojowe; cz. I

Strona 3 z 3

Gdyby udało się zbudować mechanizm różnicowy o momencie tarcia wewnętrznego MT = 0, to jak już zostało wspomniane, oraz zgodnie z wzorami 4, rozdzielałby on doprowadzony moment M0 równo na dwa wały wyjściowe:

wz5

Mechanizm taki można by nazwać teoretycznym. Na pewno nie należy go nazywać idealnym, gdyż pod względem właściwości napędowych, w wielu sytuacjach, byłby niekorzystny. Jak już było wspomniane, chodzi o przypadki, kiedy mała siła przyczepności jednego z kół napędowych ogranicza wykorzystanie siły przyczepności drugiego koła. Wówczas sumaryczna siła napędowa kół mostu jest mniejsza od sumy sił przyczepności obu kół. Wada ta jest powszechnie znana i dotyczy wszystkich pojazdów wyposażonych w proste mechanizmy różnicowe, w którym tarcie wewnętrzne jest małe i ich właściwości napędowe są zbliżone do mechanizmu różnicowego teoretycznego.
Z zależności opisującej rozdział momentów (4) wynika pewne ograniczenie w działaniu mechanizmów o powiększonym tarciu wewnętrznym. Ograniczenie polega na tym, że zwiększenie momentu obrotowego jest możliwe tylko na wale (kole) wolniejszym, a zmniejszenie tylko na wale (kole) szybszym. Jest to znacząca niedoskonałość tej metody korygowania rozdziału momentów obrotowych, gdyż w wielu sytuacjach ruchu samochodu korzystny byłby odwrotny rozdział. Dopiero najnowsze rozwiązania, tak zwane aktywne mechanizmy różnicowe, pozbawione są tej cechy, jednak z racji dużej ich złożoności i kosztów są stosowane bardzo rzadko ([1],[3],[8],[10],[11]). Dlatego, z powodu względnej prostoty konstrukcji, powiększanie tarcia wewnętrznego w mechanizmie różnicowym jest ciągle jednym z głównych sposobów poprawiania jego właściwości napędowych. Warto również dodać, że w niektórych przypadkach zamiast terminu tarcie wewnętrzne używa się określenia opór wewnętrzny. Jest to szczególnie uzasadnione w przypadku konstrukcji ze sprzęgłami hydraulicznymi, w których moment tego oporu zależy od różnicy prędkości kątowych. W takich rozwiązaniach wzory 1, 2, 3 i 4 zachowują swoją ważność, ale pojęcie „obszar nieczułości” traci swój sens.
Przedstawioną analizę można rozwinąć i objąć nią również niesymetryczne mechanizmy różnicowe, a więc takie, w których koła koronowe mają różne ilości zębów. Z działania takich przekładni planetarnych wynika rozdzielanie wyjściowych momentów obrotowych w stałych proporcjach, które dodatkowo mogą być zmieniane przez wprowadzanie momentu tarcia wewnętrznego. Szersze analizy takich mechanizmów zostały opisane w literaturze (między innymi [10], [14]).
Przedstawiona analiza kinematyki i dynamiki nie obejmuje wszystkich możliwych wariantów mechanizmów różnicowych. Wspomniane już tak zwane aktywne mechanizmy różnicowe (systemy Torque Vectoring) (tab. 1, grupa II e) wymagają odrębnej analizy.
Należy jeszcze dodać, że w przypadku mechanizmów różnicowych o powiększonym tarciu wewnętrznym, bardzo duży wpływ na końcowy efekt ich działania ma charakterystyka generowanego momentu tarcia, czyli – w zależności od jakich parametrów i w jaki sposób zmienia się jego wartość. Opisane dalej mechanizmy tego typu będą się różniły głównie układem konstrukcyjnym i charakterystyką generowanego momentu tarcia.

Rodzaje mechanizmów różnicowych i wybór obszaru prac badawczych
W wyniku kilkudziesięciu lat rozwoju powstała duża ilości typów i odmian mechanizmów różnicowych. Na rysunku 3 przedstawiona jest moja próba ich zestawienia i klasyfikacji [10].

Rys. 3 Rodzaje mechanizmów różnicowych
i systemów rozdziału mocy
zawierających mechanizmy różnicowe

W zestawieniu tym również umieściliśmy złożone systemy rozdziału mocy, w których mechanizmy różnicowe są tylko zespołami składowymi obok indywidualnie sterowanych hamulców kół lub dodatkowych przekładni zębatych i sprzęgieł sterujących.
Przyjęte w klasyfikacji kryteria podziału, to jest sposób i jakość realizowania rozdziału momentów obrotowych, nie są jedynymi możliwymi, ale bardzo istotnymi z punktu widzenia cech funkcjonalnych i przyjętego kierunku przedstawionych dalej prac badawczych.
Proste mechanizmy różnicowe (otwarte) ciągle są podstawowym standardem technicznym w pojazdach. Są one również wykorzystywane jako rozwiązania bazowe do tworzenia konstrukcji bardziej zaawansowanych. Mechanizmy różnicowe blokowane stanowią historycznie bardzo wczesne rozwiązania poprawiające zdolność napędową. Jednak z powodu sztywnego łączenia kół napędowych obecnie uważa się, że nie mogą one spełnić wysokich wymagań w zakresie stateczności i kierowalności pojazdów.
Mechanizmy różnicowe o powiększonym momencie oporu wewnętrznego współcześnie stanowią zaawansowaną i niezwykle rozbudowaną grupę rozwiązań. W konstrukcjach tych, poprzez ciągłe lub okresowe powiększanie momentu tarcia, uzyskuje się cechy pośrednie pomiędzy mechanizmem prostym, a zablokowanym. Historyczny rozwój tych mechanizmów przebiegał od konstrukcji o stałym momencie tarcia (opisanych w literaturze [4], [14], [16]), następnie o zależnym od przenoszonego momentu ([4], [9], [10], [14], [16], [18]), aż po rozwiązania o tarciu sterowanym parametrami kinematycznymi ruchu elementów mechanizmu ([5], [6], [9], [10], [14], [16], [17]) lub ruchu pojazdu ([2], [14]). Zwłaszcza te dwie ostatnie grupy mechanizmów wykazują wiele korzyści w eksploatacji, gdyż w większości warunków jazdy pracują jako proste mechanizmy różnicowe (otwarte), a moment tarcia rośnie w nich tylko krótkotrwale, w chwilach poślizgu kół napędzanych.
Można wyróżnić co najmniej dwa nurty realizacji mechanizmów różnicowych o powiększonym momencie tarcia. Pierwszy z nich obejmuje konstrukcje, w których mechanizm różnicowy i zespół generujący moment tarcia stanowią jeden zintegrowany zespół o konstrukcyjnie zadanej, niezmiennej charakterystyce działania. Do grupy takich rozwiązań należy zaliczyć mechanizmy różnicowe o momencie tarcia zależnym od przenoszonego momentu (np. typu Torsen [18]), ze sprzęgłami lepkościowymi i ciernymi z pompą hydrauliczną (np. typu Haldex [17]), jak również większość przedstawionych dalej własnych rozwiązań autora. Drugi nurt konstrukcyjny jest oparty o typowe układy i elementy współczesnej automatyki. Mechanizmy takie są wyposażone w dodatkowe sprzęgła cierne sterowane hydraulicznie lub elektrycznie przez zewnętrzny system zawierający moduł elektroniczny połączony z odpowiednimi czujnikami. Zaletą tych rozwiązań jest możliwość generowania różnych charakterystyk momentu tarcia, w zależności od wielu parametrów poruszającego się pojazdu. Układy takie są jednak bardziej złożone i stosunkowo drogie, ponadto wykazują pewną zwłokę w działaniu. Przykładowe konstrukcje tego typu to mechanizmy stosowane już w pierwszej generacji samochodów Mercedes 4 MATIC, czy mechanizmy różnicowe firmy GKN, np. oznaczone symbolem ECA (Electronic Clutch Activation). Podobne rozwiązania opracowało wiele firm, również autor, wraz ze specjalistami z Ośrodka Badawczo-Rozwojowego Samochodów Małolitrażowych BOSMAL, zaprojektował tego typu mechanizm różnicowy do tylnego mostu prototypowego małego samochodu osobowego z napędem typu 4x4.
Rysunek 3 obejmuje także dwie współcześnie ważne grupy rozwiązań układów napędowych wykorzystujących mechanizmy różnicowe. Pierwszą z nich są systemy, w których funkcje rozdziału momentów obrotowych realizują nie tylko zespoły układu napędowego, ale i współdziałający z nim układ hamulcowy. Systemy te występują zarówno w układach napędowych 4x2, jak i 4x4. W obu przypadkach stosuje się zwykle proste mechanizmy różnicowe, zaś współpracujący układ hamulcowy musi być odpowiednio rozbudowany tak, aby było możliwe indywidualne hamowanie każdego koła, z elektroniczną kontrolą tego procesu. Najczęściej systemy te oznaczone są symbolem ASR (Antriebs-Schlupf-Regelung) i oferowane w wielu modelach samochodów osobowych, ciężarowych
i autobusach, jako wyposażenie dodatkowe lub, coraz częściej, standardowe. Hamowanie ślizgającego się koła, dzięki działaniu prostego mechanizmu różnicowego, powoduje zwiększenie siły napędowej na drugim kole mostu, a w przypadku permanentnego układu napędowego typu 4x4 może zwiększyć siły napędowe nawet na trzech pozostałych kołach. W większości tych systemów, w przypadku ich aktywacji, równolegle stosuje się ograniczenie momentu obrotowego silnika. Główną zaletą systemów ASR jest uniknięcie rozbudowy układu mechanicznego i związanych z tym dużych kosztów. Niezbędne zmiany w układzie hamulcowym zwykle są niewielkie, gdyż system ten stanowi rozwinięcie istniejących już wcześniej w samochodach systemów zapobiegających blokowaniu kół przy hamowaniu (ABS). Jako wady wskazuje się opóźnienie w działaniu, zwiększone zużycie hamulców oraz pogorszoną sprawność przeniesienia napędu.
Drugą i najnowszą grupą rozwiązań są systemy z mechanizmami różnicowymi o dodatkowej więzi kinematycznej, często nazywane aktywnymi. Jak już wspomnieliśmy, przy analizie dynamiki mechanizmów różnicowych, w większości typów nie dają one możliwości doprowadzenie większego momentu obrotowego do koła o większej prędkości kątowej. Mechanizmy aktywne umożliwiają wyeliminowanie tej znaczącej wady i w efekcie zyskują nową ważną zaletę, jaką jest możliwość wpływania na kierunek jazdy. Spowodowało to powstanie w specjalistycznej literaturze takich określeń, jak Torque Vectoring i Vector Drive. W zespołach tych, oprócz prostego mechanizmu różnicowego, występują włączane sprzęgłami ciernymi boczne przekładnie zębate, okresowo narzucające określoną więź kinematyczną między obudową i wałami wyjściowymi (rys. 4).

Rys. 4 Przykładowy schemat aktywnego mechanizmu różnicowego (o dodatkowej więzi kinematycznej) – mechanizm różnicowy tylnego mostu samochodu BMW X6 [3]

Mechanizmy te mają bardzo złożoną budowę, jednak mimo tego, po okresie opracowań studialnych i zastosowań w sporcie samochodowym są coraz częściej oferowane w seryjnych samochodach osobowych, ale najwyższej klasy. Aktywne mechanizmy różnicowe muszą być sterowane przez układ elektroniczny wykorzystujący informacje z wielu czujników określających parametry ruchu pojazdu i zachowanie kierowcy.

W następnych częściach będą przedstawione własne prace badawcze, które skoncentrowane były na opracowaniu nowych typów mechanizmów różnicowych o powiększonym momencie oporu wewnętrznego. Kierując tymi pracami przyjąłem założenie, że możliwości rozwiązań mechanicznych w zakresie sterowania takimi mechanizmami nie do końca zostały wykorzystane i celowe są dalsze poszukiwania nowych koncepcji, które umożliwią zbudowanie mechanizmów o innych zasadach działania i lepszych charakterystykach pracy.

dr hab. inż. Jan Dzida

Literatura:

Avenatti R., Campo S., Mesiti D.: An Active Differential to Enhance Vehicle Dynamic Stability. ATA International Conference, Active and Passive Automobile Safety, Capri, 1997.
Danisch R.: Das Antriebsregelsystem Q2 von Alfa Romeo. Automobiltechnische Zeitschrift, nr 6, 2007.
Denzler R., Granzow C., Peter R., Spiess M.: Das Hinterachsgtriebe Vector Drive. Automobiltechnische Zeitschrift, nr 12, 2007.
Dębicki M.: Teoria samochodu – teoria napędu. WNT, Warszawa, 1971.
Dzida J.: Durch Kinematische Einflußgroßen gesteuertes Differentialgetriebe mit Eigenreibung. Automobiltechnische Zeitschrift, nr 4, 1990.
Dzida J.: Differentiale con atritto interno controlato da grandezze cinematiche. Organi di Transmissione, nr 12, 1991.
Dzida J.: Koncepcja konstrukcji członów wykonawczych do układów automatycznego sterowania zespołami samochodu. VII Międzynarodowe Sympozjum IPM WAT nt. Doskonalenie konstrukcji oraz metod eksploatacji pojazdów mechanicznych, Warszawa-Rynia, 1999.
Dzida J., Mesiti D.: Aktywny mechanizm różnicowy – nowa jakość w sterowaniu pojazdów. Zeszyty Naukowe OBR SM Bosmal, nr 21/I-II, Bielsko-Biała, 2003.
Dzida J.: Mechanizmy różnicowe sterowane regulatorami mechanicznymi reagującymi na parametry kinematyczne. Archiwum Motoryzacji, nr 3, 2007.
Dzida J.: Mechanizmy rozdziału mocy w pojazdach. Rozprawa habilitacyjna. Wydawnictwo Akademii Techniczno-Humanistycznej, Bielsko-Biała, 2010.
Freimann R., Wolter T-M., Schneider E.: Driving dynamics and hybrid combined in the torque vectoring – Concepts of axle differetials with hybrid functionality and active torque distribution. Vehicle Dynamics Expo 2009, Stuttgart, 2009.
Gajek A., Juda Z.: Mechatronika samochodowa – Czujniki. WKŁ, Warszawa, 2008.
Herner A., Riehl H.: Elektrotechnika i elektronika w pojazdach samochodowych. WKŁ, Warszawa, 2009.
Jaśkiewicz Z.: Mosty napędowe. WKŁ, Warszawa 1977.
Lanzendorfer J., Szczepaniak C.: Teoria ruchu samochodu. WKŁ, Warszawa 1980.
Madej J.: Mechanika transmisji momentu trakcyjnego. Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa, 2000.
Reimpell J., Betzler J. W.: Podwozia samochodów. Podstawy konstrukcji. WKŁ, Warszawa, 2001.
Sacchetini P.: The Torsen Differentials. Vehicle Dynamics Expo 2006, Stuttgart, 2006.