Διαφορικό οχημάτων

Το διαφορικό είναι ο μηχανισμός που σκοπό έχει να επιτρέπει στους δύο κινητήριους τροχούς στα προσθιοκίνητα ή οπισθιοκίνητα οχήματα, ή στους δυο άξονες μετάδοσης στα τετρακίνητα, να περιστρέφονται με διαφορετικές γωνιακές ταχύτητες και να κατανέμει τη ροπή στρέψης ανάλογα με τον συντελεστή πρόσφυσης στους κινητήριους τροχούς, είτε μεγεθύνοντας είτε ελαχιστοποιώντας την. Για να μπορεί να στρίψει ένα όχημα, οι τροχοί που βρίσκονται στην εξωτερική πλευρά της καμπύλης διανύουν μεγαλύτερη απόσταση από τους τροχούς που βρίσκονται στη εσωτερική πλευρά. Άρα οι εξωτερικοί τροχοί θα πρέπει να στρέφονται ταχύτερα από τους εσωτερικούς, ώστε να μπορούν να ακολουθήσουν τη γεωμετρική μορφή της οδού. Στη περίπτωση που και οι εξωτερικοί και οι εσωτερικοί τροχοί στρέφονταν από τον κινητήρα με την ίδια ταχύτητα, τότε το όχημα δεν θα μπορούσε να διαγράψει καμπύλη τροχιά χωρίς σημαντικές τριβές στα ελαστικά του. Οι τριβές αυτές θα εκδηλώνονταν ως τάση του οχήματος να «υπακούσει» στις στροφές που παίρνουν οι τροχοί του: να κινηθεί ευθεία και όχι να διαγράψει καμπύλη τροχιά. Όταν το όχημα κινείται στην ευθεία και κάποιος από τους κινητήριους τροχούς συναντήσει μια ανωμαλία του οδοστρώματος, π.χ ένα σαμαράκι ή μια λακκούβα, θα υπάρξει και σε αυτή την περίπτωση πρόβλημα, καθώς δεν θα υπάρχει δυνατότητα να διαφοροποιήσει τις στροφές του από τον άλλο τροχό και ολόκληρο το όχημα θα υποστεί μια αποσταθεροποιητική φόρτιση (τράνταγμα), η οποία θα εκδηλωθεί ως τάση εκτροπής του οχήματος. Τα προβλήματα αυτά αντιμετωπίζονται με τη χρήση του διαφορικού, το οποίο μπορεί να άλλαξει το ποσοστό ισχύος που λαμβάνει ο κάθε τροχός ενός άξονα, αλλά και να περιστρέψει τους κινητήριους τροχούς με διαφορετική γωνιακή ταχύτητα λαμβάνοντας υπ’ όψη την απόσταση που κάθε τροχός πρέπει να διανύσει. Το μέγεθος της μεταφερόμενης ροπής στρέψης καθορίζεται από εκείνον το τροχό ο οποίος έχει τη μικρότερη πρόσφυση στο οδόστρωμα. Θα μπορούσαμε να πούμε ότι ο διαφορικός μηχανισμός είναι αυτός που «λαμβάνει πληροφορίες» ανάλογα με την επαφή καθενός κινητήριου τροχού με το οδόστρωμα και σύμφωνα με αυτές τις πληροφορίες διαμοιράζει την ισχύ ή τη ροπή του κινητήρα στους άξονες των τροχών.

 Πριν αναλύσουμε τα τεχνικά θέματα και τις λειτουργίες, θα αναφερθούμε στους σκοπούς του συστήματος μετάδοσης της κίνησης. Αυτοί οι σκοποί είναι οι εξής: 1. Η μεταφορά της περιστροφικής κίνησης του κινητήρα, στους κινητήριους τροχούς. 2. Να μεταβάλλει τις στροφές και την ροπή που παρέχει ο κινητήρας ώστε οι κινητήριοι τροχοί να παίρνουν την απαιτούμενη ελκτική δύναμη για να μπορέσουν να αντιμετωπίζουν τις διάφορες αντιστάσεις κίνησης του οχήματος. 3. Δυνατότητα αναστροφής κίνησης των τροχών για την οπίσθια πορεία του οχήματος. 4. Αλλαγή της κατεύθυνσης της κινήσεως από ευθύγραμμη σε εγκάρσια έτσι ώστε να φθάνει στους τροχούς. 5. Να δίνει διαφορετική περιστροφική ταχύτητα σε κάθε κινητήριο τροχό, όταν το όχημα κινείται σε καμπύλη τροχιά. 6. Διανομή της κίνησης και της ροπής στους εμπρόσθιους και στους οπίσθιους τροχούς. Ένα συμβατικό διαφορικό αποτελείται από τα εξής μέρη: 1. Κεντρικός άξονας – Άτρακτος: Από τον άξονα αυτόν,η κίνηση μεταδίδεται στο πινιόν του διαφορικού 2. Πινιόν: Είναι ένας κωνικός οδοντωτός τροχός, μέσω του οποίου η κίνηση μεταδίδεται από το κεντρικό άξονα στο διαφορικό. 3. Κορώνα: Είναι μια κωνική οδοντωτή στεφάνη, η οποία μαζί με το πινιόν αποτελούν το ζεύγος της γωνιακής μετάδοσης και αλλάζουν την διεύθυνση της κίνησης κατά 90ο, από τη κεντρική άτρακτο στα ημιαξόνια. 4. Θήκη πλανητικού μηχανισμού – φορέας δορυφόρων: Είναι στερεωμένη πάνω στη κορώνα και περιστρέφεται μαζί με αυτή και φέρει τον κυρίως πλανητικό μηχανισμό. 5. Άξονας δορυφόρων. 6. Πλανήτες: Είναι δυο κωνικοί οδοντωτοί τροχοί οι οποίοι πάντοτε έχουν ευθύγραμμα κωνικά δόντια, λίγο μεγαλύτεροι από τους δορυφόρους. Είναι στερεωμένοι μέσα στη θήκη του διαφορικού και μπλεγμένοι μόνιμα με τους δορυφόρους. Ο άξονας τους συμπίπτει με τον άξονα περιστροφής των ημιαξονίων. Με τους πλανήτες συνδέονται τα ημιαξόνια με πολύσφηνα. 7. Δορυφόροι: Είναι συνήθως δύο στον αριθμό αλλά μπορούν να υπάρξουν και 4 κωνικοί οδοντωτοί τροχοί οι οποίοι έχουν πάντοτε ευθύγραμμα κωνικά δόντια, στερεωμένοι στο εσωτερικό της θήκης, με άξονες κάθετους στον άξονα περιστροφής των ημιαξονίων των τροχών. 8. Έξοδος προς τροχούς – Ημιαξόνια Όπως γνωρίζουμε, τα συμβατικά διαφορικά έχουν ένα πολύ σοβαρό μειονέκτημα. Εάν για οποιοδήποτε λόγω ο ένας τροχός χάσει τη πρόσφυση του (π.χ. πέσει σε λάσπη, βρίσκεται σε πάγο ή στον αέρα), τότε δεν παρουσιάζει αντίσταση, και παίρνει όλες τις στροφές. Σε αυτό το σημείο, θα πρέπει να σημειώσουμε ότι το μέγεθος της μεταφερόμενης ροπής, καθορίζεται από τον κινητήριο τροχό, ο οποίος έχει τη μικρότερη πρόσφυση με το οδόστρωμα. Η αντιμετώπιση αυτού του μειονεκτήματος, γίνεται με συστήματα στα οποία αναστέλλεται ολικά ή μερικά η λειτουργία του διαφορικού. Η πρώτη περίπτωση είναι η ολική αναστολή της λειτουργίας του διαφορικού. Η ολική αναστολή επιτυγχάνεται χειροκίνητα ή αυτόματα με τη σταθεροποίηση ορισμένων μερών του διαφορικού μεταξύ τους, έτσι ώστε τα δυο ημιαξόνια να λειτουργούν σαν ένας ολόσωμος άξονας. Την ολική αναστολή την εφαρμόζουμε μονό στα μεγάλα ειδικά οχήματα (στρατιωτικά, ρυμουλκά και αλλά). Η δεύτερη περίπτωση είναι η μερική αναστολή και χρησιμοποιείται στα διαφορικά περιορισμένης – ελεγχόμενης ολίσθησης, στα οποία όταν παρουσιαστεί μεγάλη διαφορά στροφών μεταξύ των δυο τροχών, μειώνεται αυτόματα η λειτουργία του διαφορικού.Τέλος, πρέπει να επισημάνουμε τα μειονεκτήματα. Η ολική αναστολή, προκαλεί φθορά στα ελαστικά λόγω των πολλών δυνάμεων και καταπονήσεων και αυτός είναι ένας από τους λογούς που το χρησιμοποιούμε μονό στα μεγάλα ειδικά οχήματα. Ο κύριος λόγος που βρίσκει εφαρμογή μονό σε αυτά τα οχήματα είναι οι περισσότερες ανωμαλίες του οδοστρώματος που συναντάνε σε σχέση με τα επιβατικά οχήματα και οι χαμηλές ταχύτητες κίνησης. Διαφορικό με αναστολέα, είναι το διαφορικό που επιτρέπει με χειροκίνητο τρόπο ή με ηλεκτροκίνητο τρόπο την εμπλοκή των δύο ημιαξονίων των κινητήριων τροχών και τα επιτρέπει να κινηθούν με την ίδια περιστροφική ταχύτητα. Όπως και στα συμβατικά διαφορικά, έτσι και εδώ υπάρχει το ζεύγος γωνιακής μετάδοσης (κορώνα – πινιόν) οι πλανήτες και οι δορυφόροι. Υπάρχει όμως και ο ωστικός τριέας που μετακινείται χειροκίνητα ή αυτόματα και σταθεροποιεί διάφορα μέρη του διαφορικού. Τα μέρη του διαφορικού τα οποία μπορούν να σταθεροποιηθούν είναι είτε οι δορυφόροι είτε η θήκη και τα ημιαξόνια. Οι τύποι των διαφορικών περιορισμένης ολίσθησης, κατατάσσονται σε δυο μεγάλες κατηγορίες. Στηv πρώτη κατηγορία υπάρχουν αυτά που «αισθάνονται» την ροπή και στη δεύτερη αυτά που «αισθάνονται» τηv ταχύτητα περιστροφής των κινητήριων τροχών. Τα διαφορικά που «αισθάνονται» τη ροπή, χρησιμοποιούν τη μηχανική τριβή των εξαρτημάτων τους για να δημιουργήσουν την απαιτούμενη διαφορά ροπής μεταξύ των δύο αξόνων, ανεξάρτητα από την ταχύτητα περιστροφής των τροχών. Τα διαφορικά που «αισθάνονται» την ταχύτητα των τροχών, για να ενεργοποιηθούν και να λειτουργήσουν, πρέπει να υπάρχει διαφορά στην ταχύτητα περιστροφής των τροχών. Τα διαφορικά περιορισμένης ολίσθησης, παρουσιάζονται παρακάτω Τύποι διαφορικών περιορισμένης ολίσθησης Τα πλεονέκτημα του LSD με πολύδισκους συμπλέκτες είναι: 1. Περιορισμός ολίσθησης των τροχών σε στροφές με μεγάλες ταχύτητες. 2. Διάθεση ισχύς στους τροχούς πιο ομοιόμορφα, όταν προσφέρεται η μεγαλύτερη ισχύ στο σύστημα. 3. Ομοιόμορφη πρόσφυση και καλύτερος έλεγχος του οχήματος κατά την επιτάχυνση ή την επιβράδυνση. 4. Σε συνθήκες ομαλής οδήγησης, το σύστημα με τους δίσκους αποσυμπλέκεται, για να μειωθούν οι τριβές και το όχημα να στρίβει ευκολότερα. Είναι γνωστοί ως Torsen. Για λεπτομέρεις βλέπε www.torsen.com Η κεντρική μονάδα ελέγχου, αφού λάβει υπόψη της τις συνθήκες λειτουργίας του κινητήρα και τη δυναμική συμπεριφορά του οχήματος, ρυθμίζει το ποσοστό εμπλοκής του πίσω άξονα. Η λειτουργία του κινητήρα υπολογίζεται από τις στροφές του κινητήρα και από τη θέση του πεντάλ του γκαζιού. Η δυναμική συμπεριφορά υπολογίζεται από την ταχύτητα του κάθε τροχού, την πραγματική επιτάχυνση του οχήματος, τη θέση του πεντάλ του φρένου και τη λειτουργία του χειρόφρενου. Επίσης η μονάδα ελέγχου του συστήματος των φρένων, ενημερώνει τη μονάδα του Haldex εάν κάποια από τις ειδικές λειτουργίες (ABS, ESP κλπ), έχει ενεργοποιηθεί. Όταν αναλυθούν τα δεδομένα, η μονάδα ελέγχου ελέγχει τη ροπή που μεταδίδεται στον πίσω άξονα, μέσω της βαλβίδας η οποία ρυθμίζει την πίεση στο υδραυλικό κύκλωμα. Η λειτουργία συνεκτικής σύζευξης είναι διαθέσιμη με την εκκίνηση του κινητήρα και μπορεί να ενεργοποιηθεί ανεξάρτητα από το αν το όχημα κινείται προς τα εμπρός ή προς τα πίσω. Η προϋπόθεση για τη μεταφορά μέρους της ροπής στο πίσω άξονα είναι η διαφορετική γωνιακή ταχύτητα μεταξύ των τροχών του εμπρός και του πίσω άξονα. Η μεταφορά ροπής μέσω συνεκτικής σύζευξης εξασφαλίζει τη βέλτιστη κατανομή ροπής ανάμεσα στον εμπρός και τον πίσω άξονα. Οι εμπρόσθιοι τροχοί παίρνουν τη ροπή κατευθείαν από το κιβώτιο ταχυτήτων και η ροπή αυτή δε μπορεί να μεταβληθεί. Το σύστημα όμως παρεμβάλλεται μεταξύ του κιβωτίου ταχυτήτων και των πίσω τροχών και είναι υπεύθυνο να αποφασίσει πόση από τη ροπή θα πρέπει να περάσει και στον πίσω άξονα. Το τελικό αποτέλεσμα, είναι η διαφοροποίηση του ποσοστού της έλξης που παρέχεται από τον πίσω άξονα. Τέλος, θα πρέπει να αναφερθεί ότι η τετρακίνηση με συνεκτική σύζευξη, είναι διαθέσιμη σε κάθε ταχύτητα, ακόμη και στην πορεία προς τα πίσω (όπισθεν). Δηλαδή, η μονάδα ελέγχου αναλύει συνεχώς τη δυναμική συμπεριφορά του οχήματος (επιτάχυνση, ολίσθηση, φρενάρισμα) και την ιδία στιγμή ανταλλάσσει πληροφορίες με μονάδες ελέγχου άλλων συστημάτων. Η λειτουργία δεν μπορεί να απενεργοποιηθεί από τον οδηγό. Στα σημερινά σύγχρονα οχήματα, οι κατασκευαστές έχουν εκμεταλλευτεί την επιστήμη της σύγχρονης ηλεκτρονικής και έχουν κατασκευάσει οχήματα, τα οποία ελέγχουν την ολίσθηση των τροχών και τη κατεύθυνση του οχήματος σε δύσκολες καταστάσεις οδήγησης. Τα συστήματα αυτά, ανήκουν στα συστήματα ενεργητικής ασφάλειας. Τα συστήματα αυτά, χρησιμοποιούν και εκμεταλλεύονται τα εξαρτήματα και τους μηχανισμούς του συστήματος πέδησης και του συστήματος ABS, για να φρενάρουν περισσότερο ή λιγότερο έναν ή δύο τροχούς. Έτσι ελέγχεται η ασφαλής κίνηση του οχήματος χωρίς να παρουσιάζονται φαινόμενα ολίσθησης των τροχών λόγω της διαφορετικής ταχύτητας η λόγω υπερστροφής ή υποστροφής. Επίσης, κάποια συστήματα χρησιμοποιούν και τους μηχανισμούς της ηλεκτρονικής διαχείρισης του κινητήρα, ώστε να υπολογίζουν και να ελέγχουν την ιδανική ροπή του κινητήρα που πρέπει να εφαρμόζεται στους τροχούς σε καταστάσεις ολίσθησης τους. Το όφελος αυτών των συστημάτων και ο σκοπός κατασκευής τους, είναι να παρέχουν στον οδηγό του οχήματος όσο το δυνατόν περισσότερη ασφάλεια σε δύσκολες καταστάσεις οδήγησης και σε στιγμές πανικού. Τα συστήματα τα οποία έχουν άμεση σχέση με τον διαφορικό μηχανισμό είναι τα εξής: Ηλεκτρονικός έλεγχος (μπλοκάρισμα) του διαφορικού. EDL (Electronic Differential Lock) [1] ή EDS (Elektronische Differentialsperre). Ηλεκτρονικό σταθεροποιητικό σύστημα δυναμικής κίνησης οχήματος. ESP (Elektronisches Stabilitätsprogramm) ή ESBS (Electronic Stability Brake System). Σύστημα ηλεκτρονικού ελέγχου της ροπής του κινητήρα MSR (Motor-Schleppmoment-Regelung) [2] ή EBC (Engine Braking Control) [3]. Σύστημα ελέγχου πρόσφυσης των τροχών κατά την εκκίνηση ASR (Antriebsschlupfregeleung) ή TCS (Traction control system) [4] ή ASC (Acceleration Skid Control) Αρχή Λειτουργίας διαφορικού