Дифференциал устройство и принцип работы: устройство, виды и принцип работы

(7 голосов, среднее: 4.7 из 5)

устройство и принцип работы, преимущества и недостатки, виды

Интересное механическое устройство, известное человечеству с давних времен. Несколько лет назад ученые считали, что первый механизм, работающий по типу дифференциала, был использован в антикитерском механизме – удивительной находке, поднятой со дна моря, и оказавшейся самым настоящим древним калькулятором для астрономических вычислений. Так что сама идея дифференциала не нова, однако настоящее признание она получила только с появлением первых автомобилей.

Содержание

1. Что такое дифференциал и для чего он нужен?
2. Устройство и принцип работы
3. Преимущества и недостатки
4. Виды дифференциалов
5. Заключение

Что такое дифференциал и для чего он нужен?

Дифференциал – это механизм, отвечающий за распределение момента вращения и угловых скоростей от главной передачи на колёса автомобиля (или на оси, если говорить про межосевой дифференциал). Зачем это нужно? Затем, чтобы дать возможность транспорту нормально поворачивать, не нарушая равномерного сцепления с дорогой каждого колеса.

Если попробовать развернуть на ходу любую повозку с жесткой осью, выяснится, что колесо, находящееся внутри радиуса поворота, пробуксовывает. Одновременно с этим другое колесо, которое находится на наружной дуге и должно двигаться быстрей, теряет сцепление с поверхностью. Другими словами, поворачивать вот так, с двумя колесами, насаженными на одну ось, очень сложно. Можно только посочувствовать лошадям, вынужденным таскать неповоротливые телеги…

Однако автомобиль – давно уже не телега, в том числе и потому, что во время поворота срабатывает дифференциал, который распределяет скорость вращения так, чтобы замедлить колесо внутри дуги поворота и ускорить второе, которое движется по внешней дуге. Всё это происходит без вмешательства водителя, только за счет механического распределения момента вращения.

Где находится дифференциал?

Размещение дифференциала зависит от того, какой тип привода использован в автомобиле.

1. В переднеприводных автомобилях установлен передний дифференциал, который находится внутри коробки передач.
2. В заднеприводных моделях установлен в заднем мосту на ведущей оси.
3. В полноприводных автомобилях с постоянным полным приводом ставится межосевой дифференциал в раздаточной коробке (он распределяет усилия между передней и задней осью) и межколесные на каждую ось.
4. А вот подключаемый полный привод не требует межосевого распределителя, в таких автомобилях устанавливается межколесный дифференциал на каждую из осей.

Почему только на ведущую ось (внедорожников это тоже касается, у них обе оси ведущие)? Просто потому, что дифференциал предназначен для того, чтобы распределять момент вращения, идущий от двигателя, а значит, на ведущей оси.

Устройство и принцип работы

С технической точки зрения дифференциал устроен достаточно просто, но при этом он способен выдерживать огромные нагрузки. Что внутри этого узла и как он работает?

По своему типу это планетарный редуктор со всеми необходимыми элементами.

1. Шестерня главной передачи – подает вращение от КПП на дифференциал.
2. Ведомая шестерня связана и с главной передачей, и с шестернями-сателлитами.
3. Сателлиты – закреплены в «чашке» ведомой шестерни, так что вращаются вместе с ней.
4. Шестерни полуосей – соединены с сателлитами и не контактируют с остальными элементами дифференциала.

Как это работает?

Детально показано на видео-ролике, ниже.

1. От КПП выходит вал главной передачи, от которого вращение передается на ведомую шестерню.
2. Ведомая шестерня и скрепленная с ней «чашка» (водило) принимают крутящий момент.
3. Вращаясь, ведомая шестерня и чашка приводят в движение шестерни-сателлиты.
4. Сателлиты, в свою очередь, передают вращение на полуоси.
5. При равной нагрузке на полуоси (когда автомобиль движется по прямой дороге с равномерным покрытием) сателлиты не вращаются. Работает только ведомая шестерня, в чашке которой закреплены сателлиты, и они описывают обороты вместе с ней, при этом не совершая вращения вокруг своей оси. Таким образом, момент вращения распределяется на полуоси поровну, 50:50.
6. Когда автомобиль поворачивает и одно из колес должно замедлить, а второе – ускорить движение, сателлиты приходят в движение. За счет конической зубчатой передачи они, вращаясь, замедляют одну полуось и ускоряют вторую. Другими словами, перераспределяют момент вращения в нужной пропорции, вплоть до 0:100 без потери усилия.
7. При пробуксовке одного колеса включается механизм блокировки, без которого на то колесо, которое вращается быстрее, ушел бы весь момент вращения. Без блокировки автомобиль останавливается при попадании хотя бы одного колеса на скользкую поверхность.

Основное преимущество дифференциала – это то, что он дал возможность выполнять повороты. Скорость движения каждого колеса на ведущей оси подстраивается под дорожную ситуацию совершенно автоматически, без участия водителя, так что безопасность и маневренность транспортного средства выросли в десятки раз после внедрения этого механизма. Сегодня дифференциал той или иной конструкции используется во всех видах автомобильного транспорта.

Еще одно преимущество – довольно высокая надежность узла. Планетарная передача выдерживает большие нагрузки, а особенности некоторых типов дифференциала еще дополнительно повышают его мощность и стойкость к износу

Основным недостатком можно назвать необходимость использовать механизм блокировки, чтобы автомобиль мог двигаться и по льду, и по сложным дорогам. Ручная, автоматическая или электронная – любой тип блокировки должен применяться обязательно, а это означает, что появляется дополнительный механизм, который может выйти из строя.

И, конечно, нельзя забывать о контроле за техническим состоянием узла. Это еще один узел, в котором нужно менять масло, хоть и не часто, и отслеживать износ деталей. И, кстати, о необходимости этой процедуры многие автовладельцы забывают.

Виды дифференциалов

За годы эволюции это устройство менялось и совершенствовалось. Так что теперь в автомобилестроении используют различные виды дифференциалов, в зависимости от того, на какие нагрузки рассчитан автомобиль, для каких дорожных условий предназначен, какую цель ставили перед собой конструкторы.

1. По особенностям конструкции различают конический, цилиндрический и червячный типы. Название зависит от того, какой тип передачи используется для вращения полуосей. В настоящее время самый распространенный вид – конический.

   Конический дифференциал

   Цилиндрический дифференциал

   Червячный дифференциал

2. По распределению усилия на полуоси различают симметричный и несимметричный. В первом случае количество зубцов на шестернях равное, получаем симметричное распределение вращения. При неравном количестве зубцов усилие распределяется несимметрично, что выгодно для внедорожников высокой проходимости.

Виды блокировки дифференциала. Система блокировки разрабатывалась для внедорожников, для которых пробуксовка любого колеса означает полную остановку автомобиля. На видео, ниже, подробно рассказано о системах блокировки.

Существует три основных типа блокировки.

1. Ручная блокировка дифференциала – это система, при которой водитель самостоятельно включает и выключает блокировку по своему усмотрению. Возле водительского места находится рычаг или кнопка управления блокировкой, с помощью которых принудительно останавливается вращение сателлитов вокруг свой оси. Фактически, дифференциал начинает работать так же, как при движении по прямой, распределяя усилие на обе полуоси поровну. При этом ухудшается управляемость, ведь повороты с заблокированным дифференциалом выполнить крайне сложно.
2. Автоматическая блокировка или самоблокировка – система, которая облегчает управление автомобилем, снимая с водителя необходимость самостоятельно блокировать дифференциал. Самоблокирующийся тип называют еще дифференциалом повышенного трения.
3. Электронная блокировка – это, по сути, имитация работы дифференциала, используемая в антипробуксовочных электронных системах. При необходимости забуксовавшее колесо принудительно замедляется тормозом, после чего дифференциал перераспределяет усилие, давая больше нагрузки на вторую полуось, которая имеет лучшее сцепление с дорогой.

Самоблокирующийся делятся на два основных типа.

1. Тип Torque – блокировка, срабатывающая от разницы крутящего момента на полуосях. При пробуксовке срабатывают гасители скорости, подтормаживающие ту полуось, скорость вращения которой выше.
2. Тип Speed Sensitive – блокировка с помощью вискомуфты, которая срабатывает, если одна из полуосей движется быстрее другой.

На сегодняшний день существует несколько видов дифференциалов, используемых в современных автомобилях.

1. Квайф (Quaife) – самая простая конструкция, главной особенностью которой является использование нескольких пар сателлитов, сцепляющихся между собой попарно. Благодаря возникающим силам трения механизм автоматически подстраивается под дорожные условия, правильно распределяя момент вращения при поворотах и пробуксовке.
2. Вискомуфта – устройство блокировки, основанное на применении жидкости с переменной вязкостью. Чем выше скорость ее перемешивания (соотношение скоростей вращения левой и правой полуосей), тем выше вязкость жидкости, вплоть до полной блокировки контактных дисковых блоков. Вискомуфта устанавливается на кроссоверы и легковые автомобили, то есть она не рассчитана на условия жесткого бездорожья.

   Вискомуфта

3. Дисковая блокировка – конструкция с дополнительными коническими шестернями, муфтами и дисками. При разнице в скорости вращения полуосей разъединяются стыки между шестернями и система блокируется, после чего скорости вращения полуосей выравниваются.

   Дисковая блокировка

4. Полная блокировка (кулачковая) – это тип с ручной блокировкой из салона автомобиля. Несмотря на некоторые неудобства его продолжают использовать во внедорожниках и есть много поклонников именно этого типа блокировки.
5. Торсен (Torsen) – агрегат комбинированного, коническо-червячного типа. Это один из самых мощных и надежных типов механизма, используемый для условий жесткого бездорожья. Принцип его работы подробно описан на видео, ниже.

Заключение

Сегодня дифференциал используется на всех без исключения автомобилях, что говорит о его незаменимости. Многие автовладельцы и не задумываются о том, что там у них под днищем автомобиля, а обо всех нюансах и тонкостях этого узла знают только поклонники автоспорта и сурового бездорожья. Но от того, насколько качественно выполняет свою работу этот узел, зависит уверенность в маневрах и безопасность на дороге.

Принцип работы

от редакции

Другая распространенная конструкция датчика электрического давления работает по принципу дифференциальной емкости. В этой конструкции чувствительный элемент представляет собой натянутую металлическую диафрагму, расположенную на равном расстоянии между двумя неподвижными металлическими поверхностями, состоящую из трех пластин для комплементарной пары конденсаторов. Электроизолирующая заполняющая жидкость (обычно жидкий силиконовый состав) передает движение от изолирующих диафрагм к сенсорной диафрагме, а также служит эффективным диэлектриком для двух конденсаторов:

Любая разница давлений в ячейке вызывает изгиб диафрагмы в направлении наименьшего давления. Чувствительная диафрагма представляет собой пружинный элемент, изготовленный с высокой точностью, а это означает, что ее смещение является предсказуемой функцией приложенной силы. Приложенная сила в этом случае может быть только функцией дифференциального давления, действующего на площадь поверхности диафрагмы в соответствии со стандартным уравнением сила-давление-площадь F = PA.

В этом случае у нас есть две силы, вызванные двумя давлениями жидкости, действующими друг против друга, поэтому наше уравнение сила-давление-площадь может быть переписано для описания результирующей силы как функции перепада давления (P1 − P2) и площади диафрагмы: F = (P1 − P2)А. Поскольку площадь диафрагмы постоянна, а сила предсказуемо связана со смещением диафрагмы, все, что нам нужно сейчас, чтобы сделать вывод о перепаде давления, — это точно измерить смещение диафрагмы.

Вторичная функция диафрагмы как одной пластины из двух конденсаторов обеспечивает удобный метод измерения смещения. Поскольку емкость между проводниками обратно пропорциональна разделяющему их расстоянию, емкость на стороне низкого давления будет увеличиваться, а емкость на стороне высокого давления уменьшаться: Сигнал возбуждения переменного тока для измерения разности емкостей между двумя половинками, преобразуя его в сигнал постоянного тока, который в конечном итоге становится выходным сигналом прибора, представляющим давление.

Эти датчики давления отличаются высокой точностью, стабильностью и надежностью. Интересная особенность этой конструкции — использование двух изолирующих диафрагм для передачи давления технологической жидкости на одну чувствительную диафрагму через внутреннюю «заполняющую жидкость» — заключается в том, что сплошная рама ограничивает движение двух изолирующих диафрагм, так что ни одна из них не может сенсорная диафрагма выходит за предел упругости.

Как показано на рисунке, изолирующая диафрагма высокого давления прижимается к металлической раме, передавая свое движение чувствительной диафрагме через заполняющую жидкость. Если на эту сторону оказывается слишком большое давление, изолирующая диафрагма просто «прижимается» к твердому каркасу капсулы и перестает двигаться. Это положительно ограничивает движение изолирующей диафрагмы, так что она не может больше воздействовать на чувствительную диафрагму, даже если приложено дополнительное давление технологической жидкости. Такое использование изолирующих диафрагм и заполняющей жидкости для передачи движения на чувствительную диафрагму, которое также используется в датчиках перепада давления других типов, придает современным приборам перепада давления превосходную устойчивость к повреждениям из-за избыточного давления.

Следует отметить, что использование жидкого наполнителя является ключом к этой конструкции, устойчивой к избыточному давлению. Чтобы чувствительная диафрагма точно преобразовывала приложенное давление в пропорциональную емкость, она не должна соприкасаться с окружающим ее токопроводящим металлическим каркасом. Однако для того, чтобы любая диафрагма была защищена от избыточного давления, она должна соприкасаться с прочным стопором обратного хода, чтобы ограничить дальнейшее перемещение. Таким образом, необходимость бесконтактного (емкостного) и контактного (защита от избыточного давления) взаимно исключают друг друга, что делает практически невозможным выполнение обеих функций с помощью одной чувствительной диафрагмы. Использование заполняющей жидкости для передачи давления от изолирующих диафрагм к сенсорным диафрагмам позволяет нам отделить функцию емкостного измерения (чувствительная диафрагма) от функции защиты от избыточного давления (изолирующие диафрагмы), чтобы каждая диафрагма могла быть оптимизирована для отдельной цели.

Классическим примером прибора для измерения давления на основе дифференциального емкостного датчика является датчик перепада давления Rosemount модели 1151, показанный в собранном виде на следующей фотографии:

два фланца от капсулы давления, открывающие изолирующие диафрагмы на видном месте:

На фотографии крупным планом показана конструкция одной из изолирующих диафрагм, которая, в отличие от сенсорной диафрагмы, спроектирована так, чтобы быть очень гибкой. Концентрические гофры в металле диафрагмы позволяют ей легко изгибаться под действием приложенного давления, передавая давление технологической жидкости через силиконовую заполняющую жидкость на натянутую чувствительную диафрагму внутри ячейки дифференциальной емкости:

Внутренняя часть того же дифференциального емкостного датчика (полученная путем разрезания датчика Rosemount модели 1151 пополам ножовкой) показывает изолирующие диафрагмы, чувствительную диафрагму и порты, соединяющие их вместе:

Здесь, левосторонняя изолирующая диафрагма видна лучше, чем правосторонняя изолирующая диафрагма. На этой фотографии отчетливо видна небольшая щель между левой изолирующей диафрагмой и внутренней металлической рамой по сравнению с просторной камерой, в которой находится чувствительная диафрагма.

Напомним, что эти внутренние пространства обычно заполнены заполняющей жидкостью, назначение которой состоит в передаче давления от изолирующих диафрагм к измерительной диафрагме. Как упоминалось ранее, сплошная металлическая рама ограничивает перемещение каждой изолирующей диафрагмы таким образом, что изолирующая диафрагма с более высоким давлением «достигает дна» на металлической раме до того, как чувствительная диафрагма может протолкнуться за пределы своего предела упругости. Таким образом, чувствительная диафрагма защищена от повреждения из-за избыточного давления, поскольку изолирующие диафрагмы просто не могут двигаться дальше.

Дифференциальный емкостной датчик по своей сути измеряет разницу в давлении между двумя его сторонами. В соответствии с этой функциональностью этот прибор для измерения давления имеет два резьбовых порта, к которым можно прикладывать давление жидкости. В следующем разделе этой главы будет подробно рассмотрено использование преобразователей дифференциального давления. Вся электронная схема, необходимая для преобразования дифференциальной емкости датчика в электронный сигнал, представляющий давление, размещена в конструкции синего цвета над капсулой и фланцами. Более современной реализацией принципа дифференциального емкостного измерения давления является преобразователь дифференциального давления Rosemount модели 3051:

Как и все устройства перепада давления, этот прибор имеет два порта, через которые к датчику может подаваться давление жидкости. Датчик, в свою очередь, реагирует только на разницу давлений между портами.

Конструкция дифференциального емкостного датчика в этом конкретном приборе для измерения давления более сложная, при этом плоскость чувствительной диафрагмы перпендикулярна плоскости двух изолирующих диафрагм. Эта «компланарная» конструкция более компактна, чем датчики старого типа, и, что более важно, она изолирует чувствительную диафрагму от нагрузки на фланцевые болты.

Обратите особое внимание на то, что датчик в сборе не встроен в цельнометаллический корпус, как это было в оригинальной конструкции Rosemount. Вместо этого датчик в сборе относительно изолирован от корпуса и соединен только двумя капиллярными трубками, соединяющими его с изолирующими диафрагмами. Таким образом, напряжения внутри металлического каркаса, создаваемые фланцевыми болтами, практически не влияют на датчик.

Модель преобразователя перепада давления Rosemount модели 3051S («супермодуль») в разрезе показывает, как все это выглядит в реальной жизни:

Давление технологической среды, приложенное к изолирующей диафрагме (диафрагмам), передается заполняющей жидкости внутри капиллярных трубок, передавая давление на натянутую диафрагму внутри дифференциального емкостного датчика. Как и в классической конструкции Rosemount модели 1151, мы видим, что заполняющая жидкость выполняет несколько функций:

• Заполняющая жидкость защищает чувствительную чувствительную диафрагму от контакта с нечистыми или вызывающими коррозию технологическими жидкостями
• Заполняющая жидкость позволяет изолирующим диафрагмам обеспечивать защиту от избыточного давления для сенсорная диафрагма
• Заполняющая жидкость обеспечивает среду с постоянной диэлектрической проницаемостью для функционирования цепи дифференциальной емкости. электроника в модуле из нержавеющей стали, а не в синем верхнем корпусе. Эта функция позволяет значительно уменьшить размер преобразователя, если это необходимо для приложений с ограниченным пространством.

   Источники: Тони Р. Купхалдт — Лицензия Creative Commons Attribution 4.0

  Будьте первым, кто получит эксклюзивный контент прямо на вашу электронную почту.

  Обещаем не спамить. Вы можете отписаться в любое время.

  Недействительный адрес электронной почты

  Категории Измерение давления

  2023 © Воспроизведение без явного разрешения запрещено. — Курсы PLC SCADA — Сообщество инженеров

  Принцип работы дифференциального реле давления

  Перейти к содержанию

  от редакции

  Дифференциальное реле давления, как и обычное реле давления, представляет собой простое электромеханическое устройство, работающее по основным принципам рычагов и противоположных сил. В основном они используются для определения разницы между двумя точками в процессе. Три ключевых элемента используются в различных комбинациях для производства различных типов дифференциальных и стандартных реле давления, отвечающих уникальным промышленным потребностям.

  Эти элементы:

  • Чувствительный элемент из сильфона или диафрагмы, металлический или эластомерный
  • Закаленная пружина для определения уставки диапазона
  • Микропереключатель мгновенного действия, доступный в широком ассортименте, SPDT, DPDT и т. д.

  Принцип действия разница в давлении между двумя источниками давления в процессе управления. Когда давление
  из двух разных источников подается через чувствительную диафрагму, разница давлений создает силу, которая затем действует на предварительно натянутую пружину. Это действие перемещает балансировочный рычаг или механизм, чтобы произвести минимальное движение, необходимое для активации микропереключателя.

  Высокое и низкое давление воздействует на обе стороны чувствительной диафрагмы особой формы. Эта функция помогает устранить ошибки из-за разницы в площади, что обычно является проблемой, присутствующей в двухэлементных дифференциальных реле давления.

  Напорные патрубки для высокого технологического давления, а также для низкого давления разделены эластичной диафрагмой. Разница в давлении между двумя портами вызывает осевое перемещение, также известное как измерительный ход, диафрагмы относительно пружины диапазона измерения. Дифференциальное давление, пропорциональное уровню измерения, передается через шатун с небольшим трением на плунжеры микровыключателя.

  Микропереключатель содержит электрические контакты переключателя, и электрические контакты срабатывают в зависимости от точек переключения и уставок. Избыточное давление защищено контурными металлическими валиками для эластичной диафрагмы.

  Регулировка уставок

  Регулировку точки переключения или уставки можно выполнить с помощью винтов уставки, доступных с передней стороны реле перепада давления. Градуированные шкалы позволяют относительно точно регулировать точки переключения и указывают на то, что уставка была изменена.

  Короче говоря, реле дифференциального давления работают на основе разницы давлений между двумя точками: низкой и высокой. Разница преобразуется в осевое перемещение, которое используется для срабатывания контактов микровыключателя в зависимости от заданных значений.

  Принцип работы

  Рабочее давление определяется комбинацией диафрагмы и поршня. Давление системы на стороне высокого давления действует на поршень с силой произведения Fh. Ему противодействует усилие Fs пружины регулируемого диапазона и давление системы на стороне Lo, действующее на заднюю сторону поршня и создающее усилие Fl. Результирующая сила Fd действует на поршень и преодолевает усилие пружины регулируемого диапазона [Fd = Fh – (Fl + Fs)] и перемещает вал, который приводит в действие (деактивирует) электрический переключающий элемент для создания замыкающего или размыкающего контакта.

  No related posts.