Mechanizmy różnicowe o ograniczonym poślizgu: TorSen - część 2

W poprzedniej części omawiałem problem występujący w otwartych mechanizmach różnicowych. Aby na koła napędzanej osi mógł być przekazywany jak największy moment obrotowy, stosuje się mechanizmy różnicowe o ograniczonym poślizgu. Jednym z nich jest Torsen – wynalazek amerykańskiego inżyniera Verna Gleasmena.

Torsem jest automatycznie blokującym się mechanizmem różnicowym, który w czysto mechaniczny sposób (bez użycia jakiejkolwiek elektroniki) potrafi samoczynnie przenieść moment obrotowy na oś o większej przyczepności do podłoża. Wynalazek ten zgłosił do biura patentowego Vern Gleasman w 1958 roku. W 1982 roku został odkupiony przez firmę Gleason Corporation, a w 2003 roku nabył go obecny właściciel – Toyoda Machine Works, oddział Toyota Motor Company.

Nazwa Torsen pochodzi od dwóch angielskich wyrazów: "TORque" – moment, i "SENsing" – wyczucie, co w wolnym tłumaczeniu oznacza "wyczuwanie momentu napędowego". Jego działanie opiera się na swoistych właściwościach kół zębatych, w tym przypadku przekładni ślimakowych. O co chodzi? Istnieją różnego rodzaju koła zębate - o zębach prostych, o zębach śrubowych i cała masa innych.

Łączone razem dają przekładnie, które w zależności od zastosowanych kół mają różne parametry. Niektóre z kół mogą podczas pracy trzeć o siebie bardziej, lub mniej. W mechanizmie Torsen zastosowano taki rodzaj kół zębatych (o zębach śrubowych), które trą o siebie bardzo mocno – jest to przekładnia o dużym tarciu wewnętrznym. Co więcej, tarcie to zależy od tego, jak poustawiane są poszczególne koła względem siebie oraz od kąta linii zębów.

Torsen wykorzystuje właściwość przekładni ślimakowych – napędzane od strony koła ślimakowego obracają się swobodnie, z drugiej zaś strony tzn. od ślimacznicy, mają tendencję do blokowania się. Właśnie ta cecha, która w innych konstrukcjach jest wadą, w mechanizmie Torsen idealnie się sprawdza.

Zazębienia ślimakowe zwiększają opór tylko wtedy, gdy pojawia się różnica prędkości obrotowych obu wałów wyjściowych. Jeśli więc jedna z półosi zacznie się szybciej obracać, następuje zblokowanie mechanizmu i przeniesienie momentu na półoś o mniejszej prędkości, a tym samym lepszej przyczepności.

W podstawowej wersji Torsen zawiera trzy pary zazębień ślimakowych. W każdej parze ślimaki połączone są ze sobą przy pomocy kół zębatych o zębach prostych, przez co mogą obracać się z tą samą prędkością ale w przeciwne strony. Jednocześnie każda para ślimaków zazębiona jest ze ślimacznicami, które są połączone z półosiami wyprowadzonymi z mechanizmu. W każdej parze ślimaków jeden z nich jest połączony z jedną ślimacznicą – jeden ze ślimacznicą prawej półosi, a drugi ze ślimacznicą lewej półosi.

W normalnych warunkach Torsen działa jak otwarty mechanizm różnicowy, gdzie ślimacznice zachowują się jak koła koronowe, a pary ślimaków są odpowiednikami satelitów (budowa klasycznego mechanizmu różnicowego). W Torsenie jednak każde zazębienie ślimakowe zwiększa opór między wałami wyjściowymi obracającymi się z różnymi prędkościami.

Zdaję sobie sprawę z tego, że zrozumienie w jaki sposób działa taka przekładnia nie jest proste, ale niestety sam Torsen jest dość skomplikowanym mechanizmem. Najważniejsze jest zrozumienie istoty jego działania, że wszystko odbywa się w sposób mechaniczny, bez żadnej elektroniki. Zmiana rozdziału momentu odbywa się błyskawicznie w sposób bardzo płynny.

Rozwiązanie to jest bardzo trwałe i skuteczne. Koła zębate wycierają się bardzo powoli i nie wymagają przeglądów i ingerowania wewnątrz. Pomocny może okazać się poniższy film.

Obecnie istnieją 3 zasadnicze typy mechanizmu Torsen:

• T-1 – posiada przekładnie planetarną typu \INVEX\ (śrubowa o zębach kołowo-łukowych)
• T-2 – posiada przekładnie planetarną typu \EQUVEX\ (walcowa o zębach śrubowych)
• T-2R – wersja sportowa
• T-3 - przekładnia planetarna (walcowa o zębach śrubowych o zębach wewnętrznych)

Zarówno pierwszy typ mechanizmu, jak i drugi w warunkach normalnej przyczepności rozdzielają moment na półosie w proporcjach 50:50. T-2 różni się od T-1 tym, że osie kół ślimakowych są równoległe do osi ślimacznic, całego urządzenia i półosi. Wadą klasycznego mechanizmu Torsen jest zdolność przekazywania na obciążoną półoś momentu tylko kilkukrotnie większego niż ten, który dociera do półosi mniej obciążonej.

Proporcję tę obrazuje współczynnik TBR (Torque Bias Ratio), który wynika z ułożenia kół oraz pochylenia linii zęba i jest on ustalany na etapie projektowania. Dla T-1 może on wynosić od 2,5:1 do 6:1, natomiast w przypadku T-2 zakres ten wynosi od 1,2:1 do 3:1.

Jeśli więc jedno z kół osi wyposażonej w Torsen uniesie się (przenoszony moment równać się będzie 0), to i druga półoś przeniesie zerowy moment. Dlatego też T-2R zostało wyposażone w sprzęgło cierne płytkowe, które może realizować napięcie wstępne. Oba typy (T-1 i T-2) są stosowane jako mechanizmy różnicowe zarówno pomiędzy osiami (centralne) jak i kołami samochodu (osiowe).

Najnowszym typem jest T-3, który został stworzony do samochodów z napędem na wszystkie koła. Ograniczeniem dwóch poprzednich była ich symetryczna budowa, przez co zastosowane jako centralny mechanizm różnicowy rozdzielały moment napędowy w proporcjach 50:50. W samochodach sportowych preferowany jest jednak nierówny rozdział momentu napędowego pomiędzy osiami, co jest w stanie realizować Torsen typu 3.

Konstrukcja oparta jest na przekładni planetarnej, w której satelity są pozycjonowane w obudowie na swojej zewnętrznej płaszczyźnie. Dzięki swojej budowie T-3 może przenosić moment napędowy w proporcjach od 65:35 do 35:65.