Az Önzaáró Differenciálművek és a ZF Rendszerek: A Hajtáslánc Mesterei

Egy autó kerekei csak akkor forognak azonos sebességgel, ha az autó nyílegyenesen halad. Ahogy kanyarodni kezd, a külső kerekek nagyobb ívet járnak be, mint a belsők, ezért gyorsabban kell forogniuk. Erre van a differenciálmű, vagyis a diffi. A gépkocsikba szerelt differenciálművek feladata, hogy a sebességváltótól érkező nyomatékot szétossza a két hajtott kerékre, hogy azoknál az elinduláshoz és a haladáshoz szükséges vonóerő alakuljon ki. Eközben lehetővé teszi a gépkocsival a kanyarodást is úgy, hogy a külső és a belső íven gördülő kerekek eltérő úthosszakat tesznek meg.

A diffi csak meghajtott kerekeknél fontos, mert a hajtás nélküliek amúgy sincsenek összekötve egymással, így simán tudnak különböző tempóval forogni. A hajtott kerekek közt viszont egyrészt szét kell osztani a motor erejét, másrészt meg kell oldani, hogy kanyarban más sebességgel forogjanak.

A Nyitott Differenciálmű Korlátai

A hagyományos nyitott diffi egyenlően osztja el a motor nyomatékát a két kerék közt. Ezzel nincs is baj, amíg mindkét kerék ugyannyira tapad. Ha viszont az egyik kerék például tükörjégen áll, akkor az lényegében semennyi nyomatéktól máris kipörög. A másik, tapadó kerékre pedig pont ugyanennyi nyomaték jut: semennyi. Így nem mozdul az autó. Hasonló a helyzet a szűk kanyarból kigyorsító sportautóval: a kanyarban ható erők miatt a külső kerekekre tehénkedik az autó, a belsőkre alig. Így a nagy gáztól a belső, terheletlen kerék füstölve kipörög, a másik, tapadó kerékre pedig nem jut nyomaték. Ezért a kigyorsítás béna lesz, lassú.

Differenciálzár, vagy növelt belső súrlódású differenciálmű nélkül nem tud elindulni a gépkocsi, amikor jelentősen eltér egymástól a tapadási tényező a bal- és a jobb oldali kerék alatt. Itt jön a képbe az LSD, azaz a sperrdiffi, vagy önzáró differenciálmű.

Az Önzaáró Differenciálművek (LSD) Alapjai

Az önzáró differenciálművek mindegyike ugyanarra van: meggátolni, hogy egy keréken elvesszen a nyomaték. Négy fő fajtája van: a mechanikus kuplungos, a Torsen, a viszkós és a hidraulikus kuplungos (például Haldex). Az első kettőt a nyomaték, a második kettőt a kerekek sebessége közti különbség zárja.

Minden, amit a differenciálmű javításáról tudni kell

A Mechanikus Kuplungos Differenciálzárak

A legegyszerűbb a mechanikus kuplungos. Ezt a diffibe a motor felől érkező nyomaték zárja össze, minél nagyobb, annál jobban. Azaz kanyarban brutális gázra nagyon összezár, és két füstölő kerékkel driftelhetünk. Három fajtája van:

1 utas: ami csak gázadásra zár össze.
1,5 utas: ami gázra nagyon, gázelvétre kevésbé zár.
2 utas: ami gázra és gázelvétre is bestiálisan zár.

Elsőkerekes autóban csak 1 utas mechanikus sperr használható, különben képtelenség lenne bekanyarodni vele. Ne feledjük: a záró diffi azonos sebességgre kényszeríti a kerekeket, azzal pedig lehetetlen kanyarodni, csak ha csúszunk. Ha viszont egy elsőkerekes autó eleje csúszik, akkor nem fordul. Hátsókerekesben mindhárom típus előfordulhat, bár utcára (és csúszós útra) már a 1,5 utas is meredek. Ez a legegyszerűbb, legerősebb, legolcsóbb sperrtípus.

A Torsen Differenciálmű: A Nyomatékérzékeny Megoldás

A Torsen szintén nyomatékra reagál, de sokkal szebben, progresszívebben működik. Kifinomult technika, ami minden kerékre annyi nyomatékot küld, amennyi átmegy róla a talajra. Hibája, hogy a tapadó kerékre a kevésbé tapadó keréken átmenő nyomaték szorzatát küldi, így ha az egyik kerék egyáltalán nem tapad (például a levegőben van), akkor a másik kerékre is nulla jut (nullával szorozni márcsak ilyen). Ezért nincs Torsen terepjáróban, vagy csak okos fékrendszerrel együtt, ami fékezi a lebegő kereket, így mesterségesen nyomatékot vesz fel vele.

Személygépkocsiknál gyakran alkalmazzák a részlegesen önzáró csigakerekes differenciálműveket, melyeket a szakma gyakran TORSEN elnevezéssel illet. Ez magyarul nyomaték érzékenynek nevezhető. Az első generációs kivitelnél a bolygókerekeket középen csiga-, a két szélén pedig egyenes homlokfogazattal látták el. Ez utóbbival kapcsolódnak egymáshoz a jobb és a bal oldali bolygókerekek. A bolygókerekek forgácsolással nem, csak porkohászati technológiával gyárthatók. Az első generációnál a féltengelyek forgástengelyére merőlegesen helyezték el a bolygókerekeket. A következő generációnál már a kisebb helyigényű, és egyszerűbb szerkezetű PAT (Paralell Axis Torsen) differenciálművet alkalmazták. Ennek különböző típusváltozatait elsősorban középső differenciálműként alkalmazzák. Az ilyen kivitelű középső differenciálmű, is képes fele - fele arányban szétosztani a nyomatékot a futóművek között. Ez a differenciálmű a Quattro hajtásnál az automatikus sebességváltó integrális részét képezi. Nagy fordulatszám különbség esetén automatikus zárás következik be, de ez nem befolyásolja hátrányosan a gépkocsi kormányozhatóságát. Ilyen részlegesen önzáró középső differenciálművet építenek be egyebek között az AUDI Q7, Audi S4, Audi RS4 típusokba. Lehetővé teszi az aszimmetrikus nyomatékfelosztást is. A geometriailag meghatározott nyomaték arány az első és a hátsó futómű között 42% / 58%. A pillanatnyi menetviszonyoktól és a kerekek közötti fordulatszám különbségtől függően a hajtó nyomaték 85% -a is kerülhet a hátsó futóműre.

A Viszkós Differenciálzár

A viszkós sperr a féltengelyek közt kavargó, besűrűsödő trutymó elvén működik. Ha valamelyik kerék elforog, a két féltengely forgási sebessége nagyon különbözni fog, a trutyi ettől nagyon sűrű lesz, és összezárja a két oldalt. A viszkós sperr egyszerű és olcsó, de lassan reagál és gyenge, így főleg spórolásból használják, ahol nem túl kritikus a dolga. 50-70 000 km táján jellemzően elfárad és nem zár többé. Az előzőhöz hasonló VISCO differenciálzárat szereltek be például a Mitsubishi Galant középső, kúpkerekes differenciálművébe is.

Onzaro differenciálmű javítása lépésről lépésre

A VISCO technikával bár megvalósult az automatikusan záródó differenciálmű, de azzal a hátránnyal járt, hogy nagyon megnehezítette ezen gépkocsiknál a görgős fékpadi mérést. A fékpad görgőivel forgatott kereke és a másik két álló kerék közötti fordulatszám különbség hatására zár a VISCO differenciálzár és nyomatékot ad a műhely padlóján lévő kerekekre. Ennek hatására a gépkocsi kiugrik a fékpadról. Ez balesetet is okozhat. A további kísérletezés megnöveli e VISCO differenciálzár igénybevételét és ezzel arányosan a hőterhelését is, ami tönkreteszi a szerkezetet. A problémát tovább tetézi, ha kereszt irányban, vagyis a jobb és a bal kerék közé is beépítettek VISCO differenciálzárat és a görgőpárok a kisebb áramfelvétel érdekében külön - külön indíthatók. A megoldás vagy szabadon futó kiegészítő görgőpár, vagy speciális görgős fékpad alkalmazása lehet. Ezen hátrányos tulajdonságok miatt a VISCO technika alkalmazása az utóbbi évtizedekben már háttérbe szorult.

A Hidraulikus Kuplungos Differenciálzár

A hidraulikus kuplungos sperr fejlett, mert számítógéppel is vezérelhető, de igazából elég egyszerű, a belseje olyasmi, mint a mechanikus kuplungos. A dolog megél számítógép nélkül is: mindkét féltengely egy apró olajpumpát hajt. Amíg azonos sebességgel hajtják, nem történik semmi. Ha valamelyik kerék elpörög, azon az oldalon megnő az olajnyomás, ami összezárja belül a kuplungtárcsákat. Komputer és mágnesszelepek segítségével a zárás ereje és sebessége finoman szabályozható, így a modern autókban szeretik ezt használni.

Differenciálművek Elhelyezése és Nyomatékelosztás

Hosszanti motor beépítésű gépkocsiknál a differenciálművet összeépítik a haránthajtással és a hátsó futóműbe szerelik be. Ennél a tányérkerék forgatja a differenciálművet. Kereszt irányú motor beépítésnél pedig a sebességváltó kimenő tengelyéről egy nagy átmérőjű homlok fogaskerék hajtja és a sebességváltóba szerelik be.

Ha összkerék hajtású gépkocsinál a tengelyterhelések elöl és hátul nem azonosak és mégis azzal arányos nyomaték felosztást akarnak megvalósítani a futóművek között, homlokkerekes differenciálművet kell beépíteni. Ez a fogaskerekek átmérőjével arányos nyomaték felosztást valósít meg. Ennél a változatnál a sebességváltótól érkező nyomaték a bolygókerék tartót forgatja. A homlokkerekes differenciálműveknél jelentősen eltérő tapadási tényező esetén hasonló problémákkal állunk szemben, mint az előzőekben leírtuk. Ennek elhárítására a hetvenes évek második felében gyakran alkalmazták a VISCO tengelykapcsolót, mint differenciálzárat.

A ZF Önzaáró Differenciálművek Rendszerei

A ZF által gyártott önzáró differenciálművet elsősorban hátsó kerék hajtású gépkocsik hátsó futóművénél alkalmazták. Akkor teszi lehetővé az elindulást, amikor az egyik hajtott kerék csúszós, a másik jól tapadó útfelületen van. Különböző zárási fokú változatok készültek.

Mercedes 200D differenciálmű hibaelhárítás

Szerkezeti kialakítása olyan, hogy a differenciálmű belsejébe két tengely irányban elmozduló nyomótagot és két olajlemezes tengelykapcsolót építenek be. A súrlódó lemezek a féltengely és a differenciálmű ház között hoznak létre kapcsolatot, amikor a differenciálmű kúpkerekei között fordulatszám különbség alakul ki. A kúpfogaskerekeknél keletkező axiális erő a prizmák segítségével ad át az olajlemezes tengelykapcsolóknak az előző konstrukciónál nagyobb összeszorító erőt. Hatására részlegesen zár a differenciálmű. Ennek hatása a lemezek számával és a prizma szögével befolyásolható.

Elektronikusan és Hidraulikusan Vezérelt ZF Megoldások

Ez is egy a ZF által kifejlesztett megoldás, melynek hatása hasonlít az előző változatéhoz, de ennél a működtetéshez már felhasználják az elektronikát és a hidraulikát is. A differenciálműbe beszerelt hidraulikus munkahengerek szorítják össze az olajlemezes tengelykapcsolókat. A blokkolásgátló rendszereknél alkalmazott kerékfordulatszám érzékelők adják a működéshez szükséges jeleket az elektronikának. A működtetés integrálható az ABS és az ASR rendszer elektronikájával. Az első sorozatbeépítése ennek a rendszernek az Audi A8 automatikus sebességváltóval szerelt összkerékhajtású változatába volt.

A 90-es években a Mercedes Benz is kínálta külön tartozékként az automatikus működésű differenciálzárat (ASD). Úgy működik, hogy amikor a hajtott kerekek fordulatszáma eltér egymástól, automatikusan bekapcsol a differenciálzár, melynek zárási foka elérheti a 100%-ot is. A működtetéshez az energiát a belsőégésű motorral hajtott hidraulika szivattyú biztosította. Az elektronika elektromágneses szelep vezérlése révén juttatta el az olajnyomást a differenciálmű munkahengereihez. Nem csak nagyobb vonóerő valósul meg ezzel, hanem növekszik a gépkocsi menetstabilitása is. Toló üzemben a differenciálzár nem kapcsol be. Ezt a féklámpa kapcsoló jele alapján állapítja meg az elektronika. A bekapcsolt differenciálzárnál folyamatosan világít a műszerfalon elhelyezett ellenőrző lámpa, ami tájékoztatja a vezetőt erről az állapotról. Ez az automatikus működésű differenciálzár is az elektronika öndiagnosztikájának felügyelete alatt működik. Meghibásodás esetén folyamatosan világít az ellenőrző lámpa.

Ennél a változatnál a futóművek közötti nyomatékfelosztást homlokkerekes differenciálmű végzi. A gépkocsi hátsó futóművébe automatikusan záródó olajlemezes tengelykapcsolóval működő differenciálzárat szerelnek. A működtetéshez szükséges, az átlagos olajmennyiséget szállító hidraulikaszivattyút a belsőégésű motor hajtja. A hidraulikarendszert ezért nyomástárolóval is ellátták. Az elektromágneses szelepekkel kivezérelt olaj nyomás, a munkahenger dugattyújának segítségével szorítja egymásnak az olajban futó súrlódó lemezeket. Ezáltal akár 100% -os zárás is lehetséges. A hidraulika egységre szerelik fel az elektromágneses szelepeket.

Fejlett Differenciálzár Rendszerek és Integráció

Évtizedekkel később is alkalmaztak hasonló differenciálzár megoldást például a Haldex rendszerű összkerék hajtással, a 4MOTION -al szerelt VW Transporter hátsó futóművében. Ez a kézi kapcsolású differenciálzár opcionális. A műszerfalon elhelyezett nyomógombbal kapcsolhatja be a vezető. Ekkor jelet kap a működtető elektronika és hatására kapcsolja az elektromágneses szelepeket. Ekkor a műszerfalon is világítani kezd az ellenőrző lámpa. Az elektromágneses szelepek a működtető munkahenger egyik kamrájába vákuumot vezérelnek ki. Visszakapcsoláskor a vákuum a másik kamrába kerül. Ennek hatására az emelőkar segítségével bekapcsolja a körmös kapcsolóként kialakított differenciálzárat, vagy kikapcsolja.

A GKN Automotive Gruppe fokozatmentes, automatikus működésű elektronikusan szabályozott differenciálzárat fejlesztett ki első-, hátsó, és összkerék hajtású gépkocsikhoz. A működtetése elektro-mechanikusan, tehát villanymotorral történik. Ez mechanikus fogaskerék áttétel segítségével fejti ki a szükséges összeszorító erőt. Ezzel hat a differenciálműbe szerelt olajlemezes tengelykapcsolóra. A megvalósított mechanikus áttétel a zárási foktól függően 1:30, 1:50 közötti. 8 lemezpár alkalmazásával 1600 Nm nyomatékot értek el. Ez nagy tengelyterhelésnél is lehetővé teszi a személygépkocsi differenciálművének teljes zárását.

A harmadik generációs Audi Qattot 1987 -ben mutatták be. Ennél alkalmaztak először csigakerekes TORSEN differenciálművet, mely a futóművek közötti nyomatékfelosztást végzi. Hasonló automatikus működésű differenciálzárakat alkalmaznak a VW Tuareg -nél. Ez egy hosszanti motor beépítésű, állandó összkerékhajtású gépkocsi. A nyomatékot a középső homlokkerekes differenciálmű osztja szét a futóművek között fele - fele arányban. A középső- és a hátsó futóműbe szerelt differenciálművet is ellátják villanymotorral működtetett olajlemezes tengelykapcsolós differenciálzárral.

A középső, villanymotorral működtetett differenciálzárat az osztóműbe szerelik be. A villanymotor nyomatékát egy közvetlenül rá szerelt bolygóműves fokozattal növelik. Körhagyó és karos áttétel hozza létre a szükséges működtető erőt, mely a nyomólap segítségével szorítja össze a súrlódó lemezeket. Az így megvalósított elektromechanikus működtetés gyors és pontos. Terepen teljes zárás is megvalósulhat. A hátsó futóműbe szerelt differenciálművet is villanymotorral működtetett olajlemezes tengelykapcsolóval látják el, mint differenciálzárral. A motor nyomatékát fogaskerék áttételekkel növelik a szükséges értékre.

Az elektronika automatikusan hozzá kapcsolja az első kerekek hajtását is a hátsókéhoz bizonyos feltételek között. Ilyen például, ha a gépkocsi sebessége nagyobb 100 km/h -nál és a futóművek között a sebességkülönbség legalább 2 km/h. A futóművek közötti differenciálzár addig van bekapcsolva, amíg a kerekek között a fordulatszám különbség nagyobb 2% -nál. Ha induláskor kerékcsúszás lép fel, automatikusan bekapcsol a differenciálzár. Ezt az állapotot a műszerfalon az ellenőrző lámpa világítása jelzi a gépkocsivezetőnek.

Részlegesen önzáró differenciálmű magyarázata

Differenciálzár vezérlése és biztonság

A differenciálzárat működtető-, az összkerék hajtás-, és az ESP elektronikák között a CAN hálózaton keresztül folyamatos kommunikáció valósul meg. A differenciálzár csak akkor kapcsol be, ha a gépkocsi sebessége kisebb 72 km/h -nál. A differenciálzár bekapcsolásakor az ABS működése elektromos jel segítségével kikapcsol. A differenciálzárak működtetése ennél a típusváltozatnál a gépkocsivezetőre van bízva. Ha ügyes és kellő gyakorlattal rendelkezik, kedvező lesz a dinamikai viselkedés és jó lesz a gépkocsi menetstabilitása is. A differenciálzárakat az elektronika a pillanatnyi útviszonyoknak megfelelően automatikusan működteti. Általában nem valósítja meg a 100% -os zárást.

Ha a középső differenciálzár van bekapcsolva a futóművek között fix lesz a nyomatékarány. Fékezéskor megakadályozható, hogy valamelyik futómű túlfékezetté váljon. Erős fékezéskor mind a négy kerék egyszerre fog blokkolni és a gépkocsi elveszti a stabilitását. Ha mindkét differenciálzár be van kapcsolva, minden útviszonynál a legnagyobb vonóerő alakulhat ki. Ebben az állapotban az első és a hátsó kerekek hajtása azonos fordulatszámmal történik és nincs lehetőség a fordulatszám kiegyenlítésre. A hátsó differenciálzárat szilárd burkolatú úton azonnal oldani kell, hogy lehessen kanyarodni. Ennek elmulasztásakor fokozódik a gumikopás, és növekszik a hajtásláncban kialakuló belső feszültség. A differenciálzárakat kapcsolóhüvellyel kapcsolják. Ennek elmozdulásakor világít a műszerfalon az ellenőrző lámpa. Két fokozatú pneumatikus húzó kapcsolóval működtethetők a differenciálzárak.

Típustól függetlenül igaz, hogy kemény sportra és terepjárásra a sperrdiffi nagyon kell, az elektronikus fékezgetéssel operáló kipörgésgátlók, amiket a gyártók előszeretettel hívnak elektronikus fékdifferenciálnak, gyengébb pótlékok. Az LSD jó dolog.

Típus	Működési elv	Jellemzők és Előnyök	Korlátok és Hátrányok
Mechanikus kuplungos	Motor nyomatéka zárja össze a súrlódó lemezeket	Erős, olcsó, brutális zárás. Változatos (1, 1.5, 2 utas).	Zárt állapotban nehéz kanyarodni, utcára agresszív lehet.
Torsen (Nyomatékérzékeny)	Féregkerék-áttétel elosztja a nyomatékot a tapadás arányában	Progresszív és kifinomult működés.	Ha egyik kerék teljesen tapadás nélkül van (pl. levegőben), nullát ad át a másikra is.
Viszkós	Féltengelyek sebességkülönbsége sűríti a szilikonfolyadékot, ami zár	Egyszerű, viszonylag olcsó.	Lassú reakció, gyenge zárás, idővel elfárad, fékpadi mérésnél problémás lehet.
Hidraulikus kuplungos	Olajnyomás zárja a kuplungtárcsákat, gyakran elektronikusan vezérelt	Fejlett, finoman szabályozható zárás, számítógépes integráció.	Komplexebb rendszer, potenciálisan drágább.
ZF típusú (lemezes, prizmás)	Kúpfogaskerekek axiális ereje és prizmák szorítják a súrlódó lemezeket	Részleges zárás, állítható zárási fok (lemezek száma, prizma szögével). Különböző zárási fokú változatok.
ZF Elektronikus/Hidraulikus	Elektronikusan vezérelt hidraulikus munkahengerek szorítják a lemezeket	Finoman szabályozható, akár 100%-os zárás. ABS/ASR integráció.