Diferenialul

Table of ContentsDIFERENIALUL- 3 -Cinematica i dinamica diferenialului- 4 -Construcia diferenialului- 9 -Diferentialul cu alunecare limitata - LSD (Limited Slip Differential)- 18 -Diferentialele de tip Torsen (Quaife, Peloquin etc.)- 18 -BIBLIOGRAFIE- 21 -

ARGUMENT

DIFERENIALUL

Diferenialul este un mecanism montat ntre transmisia principal i transmisiile la roile motoare, care permite obinerea de viteze unghiulare diferite la roile punii, n funcie de condiiile de deplasare ale automobilului.Rularea roilor punii motoare cu viteze unghiulare diferite este necesar la deplasarea automobilelor n curbe i pe drumuri cu neregulariti, cnd roile au de parcurs n intervale de timp egale spaii inegale, sau rectiliniu pe ci orizontale cu roile avnd raze dinamice diferite (datorit presiunii inegale din pneurile punii, uzur neuniform, sarcin distribuit asimetric fa de axa longitudinal a automobilului). n caz contrar, compensarea lungimii diferite a spaiilor parcurse se face prin alunecarea sau patinarea roilor motoare, ce determin un consum sporit de combustibil, accelerarea uzurii anvelopelor, nrutirea maniabilitii i stabilitii automobilului.Diferenialul poate fi dispus ntre roi, ca mecanism al punii motoare i ntre puni, la automobilele cu mai multe puni motoare, ca mecanism al cutiilor de distribuie, pentru nlturarea apariiei circulaiei de puteri parazite.Dup principiul de funcionare diferenialele pot fi: simple, blocabile i autoblocabile, iar dup valoarea momentului transmis roilor pot fi simetrice i asimetrice.

Cinematica i dinamica diferenialului

a) Cinematica diferenialului. n figura 1 este prezentat schema cinematic a unui diferenial simplu cu roi dinate conice. n carcasa 3 a diferenialului ce primete micarea de rotaie de la transmisia principal sunt montai sateliii 4. Sateliii sunt simultan angrenai cu pinioanele planetare 2 i 5, solidarizate la rotaie cu arborii 1 i 6 ce transmit micarea roilor motoare.Pentru studiul cinematic al diferenialului se fac urmtoarele notaii: 3 viteza unghiular a carcasei; 1, 6 vitezele unghiulare ale arborilor 1 i 6 solidari cu roile planetare 2 i 5; 4 viteza unghiular a sateliilor 4; r2, r5 i r6 rezele medii ale cercurilor de divizare ale roilor 2, 5 i 6.Fie cazul virajului spre dreapta. n acest caz 1 > 6 > 0. Pentru a stabili o legtur cinematic ntre vitezele unghiulare ale elementelor componente, se presupune c ntreg ansamblul se rotete n jurul axei 00 cu viteza unghiular 3 (oprire imaginar a carcasei 3 a diferenialului).

Fig. 1.

Din condiia de egalitate a vitezelor tangeniale dintre pinionul planetar 1 i satelitul 4 n punctul A, i dintre pinionul planetar 5 i satelitul 4 n punctul B (fig. 1, b), se poate scrie: (1.1)(1.2)dar, (1.3)deci.(1.4)n cazul diferenialului simetric r2=r5, se poate scrie:, (1.5)adic suma vitezelor unghiulare ale arborilor roilor motoare este egal cu dublul vitezei unghiulare a carcasei.La deplasarea automobilului n linie dreapt, cnd vitezele unghiulare ale roilor motoare sunt egale, din relaia (1.4) rezult c: , iar din relaiile (1.5) i (1.1) sau (1.2) se obine: .Deci la deplasarea rectilinie sateliii nu se rotesc, iar vitezele unghiulare ale roilor sunt egale cu viteza unghiular a carcasei diferenialului.Dac se blocheaz carcasa diferenialului (=0), din relaia (1.5) se obine , adic roile se vor roti cu viteze unghiulare egale, dar de sensuri contrare. n practic situaia poate aprea n timpul deplasrii automobilului pe drum cu aderen sczut, la acionarea brusc a frnei montat pe transmisia longitudinal.Dac se frneaz una din roi pn la oprire (), din relaia (1.5) se obine pentru cealalt roat o vitez unghiular de dou ori mai mare dect cea a carcasei. n practic situaia poate aprea cnd una din roile automobilului se gsete pe un teren alunecos iar fora de traciune dezvoltat la roat este mai mare dect fora de aderen, iar cealalt se gsete pe teren cu aderen suficient. n acest caz, roata cu aderen se va bloca iar cealalt se va roti de dou mai repede.b) Dinamica diferenialului. La deplasarea uniform i stabil a automobilului, din condiia de echilibru a diferenialului se poate scrie:M1+M6=M3,(1.6)

unde M1 i M6 sunt momentele transmise arborilor 1 i 6; M3 momentul transmis carcasei 3 a diferenialului.Neglijnd pierderile prin frecare dintre elementele diferenialului, momentul ce se transmite de la transmisia principal la carcasa diferenialului se mparte n pri egale ntre cei doi arbori ai transmisiei la roile motoare:.(1.7)

n realitate, datorit pierderilor prin frecare momentele transmise arborilor 1 i 6 nu vor fi egale. Pentru a determina momentele transmise la cei doi arbori planetari, innd cont de momentul de frecare Mf din diferenial, se scrie bilanul de putere al diferenialului:

,(1.8)

adic suma puterilor transmise celor doi arbori este egal cu diferena dintre puterea primit de la carcas (P3) i puterea corespunztoare pierderilor prin frecare (Pf).Dac n relaia (1.8) se nlocuiesc puterile prin produsul dintre momentele i vitezele unghiulare corespunztoare se obine:

(1.9)innd seama de relaia (1.5) i grupnd convenabil termenii relaiei (1.9) se obine:

(1.10)

Deoarece sunt diferii de zero, condiia ca ecuaia (1.10) s fie zero este:

,sau:, (1.11)

.(1.12)

Analiznd relaiile (1.11) i (1.12) se observ c momentele transmise celor doi arbori ai transmisiei la roile motoare sunt inegale, diferena dintre ele fiind cu att mai mare cu ct momentul de frecare al diferenialului este mai mare. De asemenea, momentul transmis arborelui cu vitez unghiular mai mare este mai mic dect cel transmis arborelui planetar cu vitez unghiular mai mic sau n viraj roata exterioar primete un moment mai mic dect cea interioar.Fcnd raprotul supraunitar dintre momentele de torsiune transmise arborilor transmisiilor la roile motoare se obine coeficientul de blocare al diferenialului ():, (1.13)sau. (1.14)

innd cont de relaia (1.7), rezult c momentul maxim transmis arborilor planetari este:. (1.15)

La diferenialele conice simple, datorit frecrilor dintre satelii i carcas i frecrilor din angrenaje, coeficientul de blocare are valori =1,151,20. La diferenialele autoblocabile (sau difereniale cu frecare interioar mrit) n funcie de tipul constructiv, valoarea coeficientului de blocare poate ajunge pn la =12.

Construcia diferenialului

Cea mai larg rspndire n construcia diferenialelor o au diferenialele simple conice simetrice.Construcia unui astfel de diferenial este prezentat n figura 2. Carcasa 5 a diferenialului, solidar prin uruburile 9 de coroana dinat a transmisiei principale se rotete datorit micrii primite de la transmisia principal. n carcas sunt dispui sateliii 4 i 8 care angreneaz n permanen cu roile planetare 7 i 10 montate pe canelurile arborilor 1 i 6. Fixarea sateliilor n carcas se face prin bolul 3. Pentru a asigura o centrare bun i o angrenare corect a sateliilor cu roile planetare, la unele construcii suprafaa frontal a sateliilor este sferic. Pentru a micora frecarea dintre suprafeele de contact ale sateliilor i roilor planetare cu carcasa diferenialului se introduc aibele 12 i 11 din oel moale sau bronz.

Fig. 2.

Numrul sateliilor pot fi 2, 3 sau 4, n funcie de tipul i destinaia automobilului.Forele transmise de la satelii la dinii pinioanelor planetare din stnga i dreapta sunt egale, deoarece fiecare satelit este de fapt o prghie cu brae egale, de aceea, cuplurile aplicate la arborii planetari din stnga i dreapta sunt practic egale. Dac una din roile motoare ptrunde pe o poriune alunecoas, aderena dintre ea i cale devine insuficient i roata poate ncepe s patineze. n acest caz, asupra celeilalte roi cu aderen suficient nu se transmite o for mai mare dect asupra primei roi. Dac fora de traciune la roata care patineaz este nul, a doua roat va nceta s se roteasc i automobilul se va opri.Din aceast cauz, la automobile cu capacitate mare de trecere se folosesc diferenialele care se blocheaz i autoblocabile.n figura 3 este prezentat schema cinematic a unui diferenial care se blocheaz. Fa de diferenialele simetrice simple, diferenialele blocabile se deosebesc prin existena unor legturi facultative (dispozitivul de blocare) ntre unul din arborii planetari i carcasa diferenialului. Pe arborele planetar 1 se afl o poriune canelat pe care se monteaz manonul 3 ce cupleaz cu dantura interioar 2 executat pe carcasa diferenialului. Cnd cuplajul se afl n poziia din figur, diferenialul se comport ca un diferenial simplu. Cnd dantura manonului 3 se cupleaz cu dantura 2, diferenialul este blocat, adic arborele planetar se rotete mereu cu aceeai turaie egal cu turaia carcasei, iar sateliii nu se mai rotesc n jurul axelor lor.

Fig. 3.

Construcia unui diferenial care se blocheay cu ajutorul unui tift de blocare este prezentat n figura 4. Solidarizarea la rotaie a arborelui planetar 4 cu carcasa 2 a diferenialului se face cu ajutorul tiftului 1 ce ptrunde simultan ntr-un alezaj din carcas i pinionul planetar 3.

Fig. 4.Aceste difereniale pstreaz avantajele diferenialelor simple i, n plus, asigur posibilitatea deplasrii automobilului cnd aderena uneia din roi este foarte mic.Dezavantajele acestor difereniale constau n acionarea subiectiv a dispozitivului de blocare de ctre conductor i complicarea construciei prin necesitatea introducerii unui dispozitiv de acionare (mecanic, pneumatic, electric, hidraulic).Inconvenientele artate sunt nlocuite la automobilele speciale cu capacitate mare de trecere de diferenialele autoblocabile. Caracteristic acestor difereniale este repartiia momentului motor la roile motoare n funcie de condiiile de deplasare.Constructiv, diferenialele autoblocabile (sau cu frecare intern mrit) pot fi cu roi dinate conice i suprafee de frecare multiple, cu angrenaje elicoidale (melc roat melcat), difereniale cu came.

Fig. 5.

n figura 5 este prezentat o seciune printr-un diferenial autoblocabil cu roi dinate conice i suprafee de frecare multiple. Frecarea interioar a diferenialului se mrete prin introducerea ntre arborii planetari 7 i carcasa 10 a diferenialului a dou cuplaje de friciune 8 i 11. n acest caz sateliii 3, n numr de patru, sunt montai pe dou boluri independente 1, ncruciate, cu posibilitatea deplasrii relative axial i unghiular. Capetele bolurilor (seciunea A A) au teiturile 2 prin care se monteay ntr-un loca din carcasa 10 a diferenialului.Cuplajele de friciune sunt formate din discurile de presiune 4, montate prin caneluri pe arborii planetari i discurile de friciune 5 i 6, montate alternativ prin caneluri pe discul de presiune 4 i carcasa diferenialului.Funcionarea diferenialului este urmtoarea: la transmiterea unui moment de torsiune oarecare carcasei diferenialului prin transmisia principal, sub aciunea forelor axiale din angrenajele satelii 3, pinioanele planetare 9, ct i a forelor axiale din mbinarea bolului 1 cu teituri cu locaul din carcas, discurile de presiune 4 apas pachetul discurilor de friciune 5 i 6, tinznd s blocheze diferenialul.La deplasarea rectilinie pe ci aderente, sateliii nu se rotesc , diferenialul comportndu-se ca n cazul obinuit. Cnd apar micri relative ntre elementele componente (deplasarea n curb sau pe ci cu aderen sczut), n cuplajele de friciune vor aprea momente de frecare. innd cont de relaiile (1.11) i (1.12), momentul transmis roii cu turaie sczut va crete de dou ori valoarea momentului de frecare.n figura 6 sunt prezentate schema cinematic i construcia unui diferenial autoblocabil cu angrenaje elicoidale.

Fig. 6.

n carcasa 2 a diferenialului (fig. 6, a) se afl montate roile melcate 5 cu rol de satelii, roile melcate 1 i 7 ca roi planetare i uruburile melc 3 i 6, care transmit micarea de la satelii la roile planetare.Cnd automobilul se deplaseaz n linie dreapt, ntreg sistemul se rotete ca un tot unitar cu carcasa diferenialului. La deplasarea n viraj sau pe teren alunecos, ntre elemente apar viteze diferite. Datorit frecrilor din angrenajele melcate 1 i 3, 3 i 5, 5 i 6, 6 i 7, momentul transmis roii cu vitez unghiular redus crete, iar cel al roii cu vitez unghiular sporit se micoreaz. n funcie de mrimea unghiului de nclinare a spiralei urubului melcat se obine o modificare n limite destul de largi a raportului dintre momentele transmise celor doi arbori planetari (=612).Un diferenial cu larg utilizare la automobilele cu capacitate mare de trecere este diferenialul cu came. Principiul de funcionare al unui astfel de diferenial este prezentat n figura 7. ntre dou cremaliere 1 i 4, care se pot deplasa n ghidaje fixe i care au pe suprafeele interioare came profilate, se gsete colivia 2 cu tacheii 3.

Fig. 7.

Dac se deplaseaz colivia n direcia sgeii, tacheii se reazem cu capetele lor n camele corespunztoare ale cremalierelor i acestea ncep s se deplaseze. Cnd rezistena la deplasare a celor dou cremaliere este egal, viteza lor va fi egal cu viteza de deplasare a coliviei.Dac una din cremaliere ncepe s se deplaseze mai ncet dect colivia 2, o parte din tachei vor fi presai de camele cremalierei ncetinite spre cealalt cremalier care i va accelera deplasarea. Forele de frecare ce iau natere datorit alunecrii dintre tachei i came se adun la camele ntrziate, mrind momentul transmis lor i se scade din cele avansate. Dac se blocheaz colivia 2 i se deplaseaz una din cremaliere, cealalt va ncepe s se mite n sens opus.Numrul camelor la cele dou cremaliere nu trebuie s fie egal deoarece deplasarea coliviei ar provoca numai deplasarea tacheilor iar cremalierele ar rmne fixe.Diferenialele autoblocabile cu came se execut cu tacheii aezai axial sau radial.n figura 8 se prezint construcia unui diferenial cu camei tacheii aezai radial. Tacheii 4 sunt amplasai ntre piesele 2 i 3 (cu rolul cremalierelor din figura 7) i fixai n cilindrul 1 (cu rolul coliviei), solidar la rotaie cu coroana transmisiei principale.

Fig. 8.

Piesele planetare cu came 2 i 3 sunt montate prin caneluri de arborii transmisiei la roile motoare.Construcia unui diferenial autoblocabil cu came i tacheii dispui axial este prezentat n figura 9. n acest caz, elementele conduse 1 i 3 ce se monteaz prin caneluri de arborii transmisiei la roile motoare au camele dispuse pe suprafeele frontale interioare. Principiul de funcionare al diferenialului este asementor cazului anterior. Deosebirea const n obinerea unui coeficient de blocare mai mare deoarece la frecarea dintre tacheii 2 i came se adaug i frecarea dintre elementele frontale ale elementelor conduse 1 i 3 i carcasa 4 a diferenialului.S-a amintit c n afara utilizrii diferenialului ca mecanism al punii motoare, n construcia automobilelor cu mai multe puni motoare, se folosete i ca mecanism de distribuie a momentului motorului. n acest caz diferenialul se numete diferenial interaxial.

Fig. 9.Fig. 10.n figura 10 se prezint schema cinematic a unui diferenial interaxial, montat ntr-un carter separat, fixar de carterul punii motoare din mijloc la un automobil cu trei puni.Roata dinat planetar 2 a diferenialului este montat pe canelurile axului 6 i transmite momentul motor la puntea din spate. Roata dinat 4 este fixat pe butucul pinionului de atac 5 al transmisiei principale a punii din mijloc. Carcasa diferenialului 3 este legat de axul 1 care transmite micarea de la cutia de viteze sau de distribuie.Datorit acestei scheme cinematice, pinioanele de atac ale transmisiilor principale i, prin urmare, roile motoare ale punii din mijloc i ale celei din spate, funcie de condiiile de deplasare se pot roti cu viteze unghiulare diferite.Materialele utilizate pentru executarea roilor dinate ale diferenialului sunt cele recomandate ca i pentru roile dinate ale cutiilor de viteze. Axul sateliilor se execut din oeluri aliate cu coninut redus de carbon, supus unui tratament cu cementare. Carcasa diferenialului se execut prin turnare din font maleabil i mai rar din oel.Diferentialul cu alunecare limitata - LSD (Limited Slip Differential)Exista mai multe tipuri de LSD: cu cuplare vascoasa, cu placute de ambreiaj (cu sau fara arcuri de transfer al cuplului) cu subdiviziunile lui: pasiv (mecanic), hidraulic si electronic si alte forme si tipuri care deriva de aici.O definitie simpla a LSD-ului este urmatoarea: diferentialul cu alunecare limitata este un compromis intre diferentialul deschis (open differential) si diferentialul blocant (locking differential), capabil sa ofere un comportament similar diferentialului blocant in situatii de dezechilibru insemnat de aderenta si similar diferentialului deschis, in aplicatia de baza a diferentialelor, aceea care permite rotirea cu viteze diferite a rotilor in viraj. Desi sunt diferite constructiv si ca mod de operare, toate tipurile de LSD enumerate mai sus au misiunea de a asigura acelasi lucru, descris in definitie.Diferentialele de tip Torsen (Quaife, Peloquin etc.)Torsen este un termen care provine din expresia torque sensitive (care simte cuplul, sensibil la cuplu), expresie care descrie insusi modul de operare al sistemului. Este tipul de diferential a carui principala caracteristica - in care rezida, de altfel, si calitatea si performantele sale - este ca reactioneaza imediat la orice dezechilibru de cuplu aparut intre cele doua roti motoare, directionand cuplul catre roata care il poate transfera cu succes suprafetei de rulare, adica spre roata cu aderenta ridicata.Diferenta fundamentala intre LSD si diferentialul deschis este aceea ca diferentialul deschis va trimite intotdeauna cuplul motor spre roata care beneficiaza de mai putina aderenta, iar cuplul transmis se va pierde prin invartirea in patinaj a rotii.Aceste tipuri de LSD-uri (Quattro de la Torsen si Quaife sunt similare, dar nu identice) au ceea ce se cheama un raport de multiplicare a cuplului, in general cu valori de 1 : 4 sau 1 : 5. Adica, daca un cuplu de 30 Nm este directionat catre roata cu minima aderenta, LSD-ul va directiona instantaneu un cuplu de aproximativ 120 Nm sau 150 de Nm spre roata cu aderenta mai buna, adica de 4 sau 5 ori mai mare decat cuplul minim pe roata cu aderenta redusa. Exista totusi si cateva dezavantaje. De exemplu, un LSD nu se va putea niciodata comporta ca un diferential blocant, daca una dintre roti are aderenta 0 (zero), adica este suspendata. Si asta datorita raportului de multiplicare: adica, daca un raport de multiplicare a cuplului este de 1 : 4, dar una dintre roti are aderenta 0 (zero), cealalta va avea tot 0, pentru ca 0Nm x 4 = 0 Nm. Din acest motiv LSD-urile nu sunt prea des folosite la off-road extrem.Alte (mici) dezavantaje ar fi ca LSD-ul este un pic mai greu decat un diferential deschis, nu poate fi setat sau modificat in ceea ce priveste raportul de multiplicare si cuplul maxim la care rezista, pe care-l poate gestiona si care vine de la motor.

Pentru aceia mai sportivi,diferentialul cu alunecare limitata estespectaculos pe drumuri cu succesiuni de viraje, deoarece permite sa se accelereze (automobile FWD)mult mai devreme si mai intens. Entuziastii autosustin ca, dupa montarea unuiLSD peautomobilelecu tractiune fata, au avut impresia ca stau la volanul unei integrale.

Seciune demonstrativ a unui diferenial

BIBLIOGRAFIE

1. Motoare cu combustie interna - Editura didactia si pedagogica , Iulia Serban , Alexandru Steflea , Mihai Poenaru2. Automobile Editura didactia si pedagogica 1992 , Gh. Fratila, Mariana Fratila , St. Samoila3. Motoare pentru autovehicule Editura Dacia, Bazil Popa, Nicolae Bag, Aurica Czil4. Tehnologia ntreinerii i Reparrii Motoarelor cu Combustie Intern Editura didactic i psihopedagogic, Bucureti 1978, M. Sechi, Al. teflea5. Instalaii i echipamente auto tehnologia meseriei electromecanic auto, Editura Didactic i Pedagogic, R.A. Bucureti, Mihai Poenaru, Aurel Leluiu.

- 20 -