Дифференциал схема: Страница не найдена — Techautoport.ru

Содержание

Как работает дифференциал при движении автомобиля. Дифференциалы автомобилей — типы

Механизм трансмиссии, распределяющий крутящий момент двигателя между ведущими колесами и ведущими мостами автомобиля, называется дифференциалом. Дифференциал служит для обеспечения ведущим мостам разной скорости вращения при движении автомобиля по неровным дорогам и на поворотах.

Разная скорость вращения ведущим колесам, проходящим разный путь на поворотах и неровных дорогах, необходима для их качения без скольжения и буксования. В противном случае повысится сопротивление движению автомобиля, увеличатся расход топлива и износ шин. В зависимости от типа и назначения автомобилей на них применяются различные типы дифференциалов (рисунок 1).

Рисунок 1 — Типы дифференциалов, классифицированных по различным признакам

Дифференциал, распределяющий крутящий момент двигателя между ведущими колесами автомобиля, называется межколесным

.

Дифференциал, который распределяет крутящий момент двигателя между ведущими мостами автомобиля, называется межосевым.

На большинстве автомобилей применяют конические дифференциалы, симметричные и малого трения.

Симметричный дифференциал распределяет поровну крутящий момент. Его передаточное число равно единице (uД = 1), т.е. полуосевые шестерни 3 и 4 (рисунок 2, а, б) имеют одинаковые диаметры и равное число зубьев. Симметричные дифференциалы применяются на автомобилях обычно в качестве межколесных и реже — межосевых, когда необходимо распределять крутящий момент поровну между ведущими мостами.

Рисунок 2 — Кинематические схемы шестеренных дифференциалов

а, б — симметричных; в, г — несимметричных; 1 — корпус, 2 — сателлит; 3, 4 — шестерни

Несимметричный дифференциал распределяет не поровну крутящий момент. Его передаточное число не равно единице, но постоянно (uД ≠ 1 = const), т.е. полуосевые шестерни 3 и 4 имеют неодинаковые диаметры и разное число зубьев. Несимметричные дифференциалы применяют, как правило, в качестве межосевых, когда необходимо распределять крутящий момент пропорционально нагрузкам, приходящимся на ведущие мосты.

Межколесный конический симметричный дифференциал (см. рисунок 2, а) состоит из корпуса 1, сателлитов 2, полуосевых шестерен 3 и 4, которые соединены полуосями с ведущими колесами автомобиля. Дифференциал легкового автомобиля имеет два свободно вращающихся сателлита, установленных на оси, закрепленной в корпусе дифференциала, а у грузового автомобиля — четыре сателлита, размещенных на шипах крестовины, также закрепленной в корпусе дифференциала.

Принцип работы дифференциала

Работу дифференциала при движении автомобиля поясняет рисунок 3.

При прямолинейном движении автомобиля по ровной дороге (рисунок 3, а) ведущие колеса одного моста

проходят одинаковые пути, встречают одинаковое сопротивление движению и вращаются с одной и той же скоростью. При этом корпус дифференциала, сателлиты и полуосевые шестерни вращаются как одно целое. В этом случае сателлиты 3 не вращаются вокруг своих осей, заклинивают полуосевые шестерни 4 и на оба ведущих колеса передаются одинаковые крутящие моменты.

Рисунок 3 — Работа дифференциала при движении автомобиля

а — по прямой; б — на повороте; 1, 4 — шестерни; 2 — корпус; 3 — сателлит; 5 — полуось

При повороте автомобиля (рисунок 3, б) внутреннее по отношению к центру поворота колесо встречает большее сопротивление движению, чем наружное колеса,

вращается медленнее, и вместе с ним замедляет свое вращение полуосевая шестерня внутреннего колеса. При этом сателлиты 3 начинают вращаться вокруг своих осей и ускоряют вращение полуосевой шестерни наружного колеса. В результате ведущие колеса вращаются с разными скоростями, что и необходимо при движении на повороте.

При движении автомобиля по неровной дороге ведущие колеса также встречают различные сопротивления и проходят разные пути. В соответствии с этим дифференциал обеспечивает им разную скорость вращения и качения без проскальзывания и буксования.

Одновременно с изменением скоростей вращения происходит изменение крутящего момента на ведущих колесах. При этом крутящий момент уменьшается на колесе, вращающемся с большей скоростью. Так как симметричный дифференциал распределяет крутящий момент на ведущих колесах поровну, то в этом случае на колесе с меньшей скоростью вращения момент тоже уменьшается и становится равным моменту на колесе с большей скоростью вращения. В результате суммарный крутящий момент и тяговая сила на ведущих колесах падают, а тяговые свойства и проходимость автомобиля ухудшаются.

Особенно это проявляется, когда одно из ведущих колес попадает на скользкий участок дороги, а другое находится на твердой сухой дороге. Если суммарного крутящего момента будет недостаточно для движения автомобиля, то автомобиль остановится. При этом колесо на сухой твердой дороге будет неподвижным, а колесо на скользкой дороге — буксовать.

Для устранения этого недостатка применяют принудительную блокировку (выключение) дифференциала, жестко соединяя одну из полуосей с корпусом дифференциала. При заблокированном дифференциале крутящий момент, подводимый к колесу с лучшим сцеплением, увеличивается. В результате создается большая суммарная тяговая сила на обоих ведущих колесах автомобиля. При этом суммарная тяговая сила увеличивается на 20…25% во время движения в реальных дорожных условиях.

Конический симметричный дифференциал является дифференциалом малого трения, так как имеет небольшое внутреннее трение.

Трение в дифференциале повышает проходимость автомобиля, так как оно позволяет передавать больший крутящий момент на небуксующее колесо и меньший — на буксующее, что может предотвратить буксование. При этом суммарная тяговая сила на ведущих колесах достигает максимального значения.

Однако в дифференциале малого трения увеличение суммарной тяговой силы на ведущих колесах составляет всего 4…6%, что также не способствует повышению тяговых свойств и проходимости автомобиля.

Конический симметричный дифференциал малого трения прост по конструкции, имеет небольшие размеры и массу, высокие КПД и надежность. Он обеспечивает хорошие управляемость и устойчивость, уменьшает изнашивание шин и расход топлива. Этот дифференциал также называется простым дифференциалом.

Межосевой дифференциал распределяет крутящий момент между главными передачами ведущих мостов многоприводных автомобилей. Дифференциал устанавливается в раздаточной коробке или в приводе главных передач. Межосевой дифференциал исключает циркуляцию мощности в трансмиссии автомобиля, которая очень сильно нагружает трансмиссию, особенно при движении по ровной дороге. В качестве межосевых на автомобилях применяются и конические, и цилиндрически дифференциалы.

Кулачковые дифференциалы

Кулачковые (сухарные) дифференциалы могут быть с горизонтальным (рисунок 4, а) или радиальным (рисунок 4, б) расположением сухарей. Сухари 3 размещаются в один или два ряда в отверстиях обоймы 2 корпуса 1 дифференциала между полуосевыми звездочками 4 и 5, которые установлены на шлицах полуосей. Сухари в дифференциале выполняют роль сателлитов.

Рисунок 4 — Кинематические схемы кулачковых (а, б) и червячных (в, г) дифференциалов

1 — корпус, 2 — обойма, 3 — сухарь; 4, 5 — звездочки; 6, 8 — червяки; 7 — сателлит; 9, 10 — шестерни

При прямолинейном движении автомобиля по ровной дороге сухари неподвижны относительно обоймы и полуосевых звездочек. Своими концами они упираются в профилированные кулачки полуосевых звездочек и расклинивают их. Все детали дифференциала вращаются как одно целое, и оба ведущих колеса автомобиля вращаются с одинаковыми скоростями.

При движении автомобиля на повороте или по неровной дороге сухари перемещаются в отверстиях обоймы и обеспечивают ведущим колесам автомобиля разную скорость вращения без проскальзывания и буксования.

Кулачковые дифференциалы являются дифференциалами повышенного трения, так как имеют значительное внутреннее трение, которое позволяет передавать больший крутящий момент на небуксующее колесо и меньший на буксующее колесо. При этом суммарная тяговая сила на ведущих колесах автомобиля достигает максимального значения. Так, за счет повышенного внутреннего трения суммарная тяговая сила на ведущих колесах увеличивается на 10…15%, что способствует повышению тяговых свойств и проходимость автомобиля. Кулачковые дифференциалы относительно

просты по конструкции и имеют небольшую массу. Они широко применяются на автомобилях повышенной и высокой проходимости.

Червячные дифференциалы

Червячные дифференциалы могут быть с сателлитами или без сателлитов. В червячном дифференциале

с сателлитами (рисунок 4, в) крутящий момент от корпуса 1 дифференциала через червячные сателлиты 7 и червяки 6 и 8 передается полуосевым червячным шестерням 9 и 10, которые установлены на шлицах полуосей, связанных с ведущими колесами автомобиля.

При прямолинейном движении автомобиля по ровной дороге корпус, сателлиты, червяки и полуосевые шестерни вращаются как одно целое. При движении автомобиля на повороте или по неровностям дороги разная скорость вращения ведущих колес обеспечивается за счет относительного вращения сателлитов, червяков и полуосевых шестерен.

В червячном дифференциале без сателлитов (рисунок 4, г) полуосевые червячные шестерни 9 и 10 находятся в зацеплении с червяками 6 и 8, которые находятся также в зацеплении между собой. Крутящий момент от корпуса 1 дифференциала передается полуосевым шестерням 9 и 10 через червяки.

Червячные дифференциалы обладают повышенным внутренним трением, которое увеличивает суммарную тяговую силу на ведущих колесах автомобиля на 10…15%. Это способствует повышению тяговых свойств и проходимости автомобиля. Однако червячные дифференциалы наиболее сложные по конструкции. Они самые дорогостоящие из всех дифференциалов, так как их сателлиты и полуосевые шестерни изготавливают из оловянистой бронзы. В связи с этим в настоящее время червячные дифференциалы на автомобилях применяются очень редко.

Другие статьи по теме

Что такое дифференциал и для чего нужны блокировки — 4V6.ru

     Дифференциал — это механическое устройство, которое передает крутящий момент с одного источника на два независимых потребителя таким образом, что угловые скорости вращения источника и обоих потребителей могут быть разными относительно друг друга. Такая передача момента возможна благодаря применению так называемого планетарного механизма. В автомобилестроении, дифференциал является одной из ключевых деталей трансмиссии. В первую очередь он служит для передачи момента от коробки передач к колёсам ведущего моста.

 

 

 

 

Почему для этого нужен дифференциал ? В любом повороте, путь колеса оси, двигающегося по короткому (внутреннему) радиусу, меньше, чем путь другого колеса той же оси, которое проходит по длинному (внешнему) радиусу. В результате этого, угловая скорость вращения внутреннего колёса должна быть меньше угловой скорости вращения внешнего колеса. В случае с не ведущим мостом, выполнить это условие достаточно просто, так как оба колеса могут не быть связанными друг с другом и вращаться независимо. Но если мост ведущий, то необходимо передавать крутящий момент одновременно на оба колеса (если передавать момент только на одно колесо, то возможность управления автомобилем по современным понятиям будет очень плохой). При жесткой же связи колёс ведущего моста и передачи момента на единую ось обоих колёс, автомобиль не мог бы нормально поворачивать, так как колеса, имея равную угловую скорость, стремились бы пройти один и тот же путь в повороте. Дифференциал позволяет решить эту проблему: он передаёт крутящий момент на раздельные оси обоих колёс (полуоси) через свой планетарный механизм с любым соотношением угловых скоростей вращения полуосей. В результате этого, автомобиль может нормально двигаться и управляться как на прямом пути, так и в повороте. 

      Однако, ввиду физики устройства, у планетарного механизма есть очень нехорошее свойство: он стремится передать полученный крутящий момент туда, куда легче. Например, если оба колеса моста имеют одинаковое сцепление с дорогой и усилие, необходимое для раскручивания каждого из колёс одинаковое, дифференциал будет распределять крутящий момент равномерно между колёсами. Но стоит только появится ощутимой разнице в сцеплении колёс с дорогой (например, одно колесо попало на лёд, а другое осталось на асфальте), как дифференциал тут же начнёт перераспределять момент на то колесо, усилие для раскрутки которого наименьшее (то есть на то, которое находится на льду). В результате, колесо, находящееся на асфальте перестанет получать крутящий момент и остановится, а колесо, находящееся на льду примет на себя весь момент и будет вращаться с увеличенной угловой скоростью, причем планетарный механизм будет играть роль редуктора, повышающего скорость вращения этого колеса. Естественно, это явление сильно ухудшает проходимость и управляемость автомобиля. Ведь по логике вещей, в рассмотренной ситуации момент желательно передавать на колесо, расположенное на асфальте, чтобы автомобиль мог продолжить движение.

     В полноприводных автомобилях дифференциалом обычно оборудованы два моста, а зачастую дифференциал можно обнаружить еще и между мостами (межосевой дифференциал). Таким образом, мы получаем схему трансмиссии, в которой присутствуют целых три дифференциала: два мостовых и один межосевой. Последний необходим для постоянного движения с полным приводом и передачей момента на все четыре колеса. Ведь в повороте колёса рулевого моста (обычно переднего) имеют совсем другие угловые скорости, нежели чем колёса заднего моста. Межосевой дифференциал призван передавать крутящий момент от коробки передач к обоим ведущим мостам с разным соотношением угловых скоростей. Такая схема с тремя дифференциалами является одной из самых распространённых схем для постоянного полного привода (Full time 4WD).

      Однако, это уже тема другого раздела. В данном разделе нас интересует дифференциал и его свойства. Возвращаясь к вышеописанному проблемному свойству планетарного механизма, интересно рассмотреть ситуацию, когда полноприводный автомобиль с межосевым дифференциалом одним из четырёх колёс попал на тот же лёд (или в скользкую яму). Что тогда произойдёт ? Дифференциал моста, колесо которого находится на льду, отдаст весь полученный крутящий момент на это колесо. Межосевой дифференциал, в свою очередь, тоже стремится передать крутящий момент туда, куда легче. Естественно, межосевому дифференциалу легче отдать момент на мост с прокручивающимся на льду колесом, нежели чем на мост, колёса которого имеют хорошее сцепление с дорогой и могут двигать автомобиль. В результате, весь крутящий момент от двигателя и коробки передач пойдёт на раскручивание единственного колеса, находящегося на льду. Остальные три колеса остановятся и не будут получать никакого крутящего момента от дифференциалов. Итог: из четырёх ведущих колёс осталось только одно, которое проскальзывает на льду — полноприводный автомобиль «застрял». Как же заставить дифференциалы передавать крутящий момент на колёса с более хорошим дорожным сцеплением ? Для этого были разработаны различные способы частичной и полной, ручной и автоматической блокировки дифференциалов, которые будут рассмотрены ниже.

      Основной целью блокировки дифференциала является передача необходимого крутящего момента обоим его потребителям (полуосям или карданам). Существуют принципиально разные методы решения данной задачи.

 

Полная (100%-я) ручная блокировка.

       При таком типе блокировки, дифференциал фактически перестаёт выполнять свои функции и превращается в простую муфту, жестко связывающую полуоси (или карданы) между собой и передающую им одинаковый крутящий момент с одинаковой угловой скоростью. Для того, чтобы полностью заблокировать классический дифференциал, достаточно либо заблокировать возможность вращения сателлитов, либо жестко соединить между собой чашку дифференциала с одной из полуосей. Такая блокировка как правило реализована при помощи пневматического, электрического или гидравлического привода, управляемого водителем из салона автомобиля. Применяется как для мостовых, так и для межосевых дифференциалов. На картинке изображена схема блокировки компании ARB для мостового дифференциала, в которой блокируются сателлиты.

     Включать подобного рода блокировки можно только при полностью остановленном автомобиле. Пользоваться ими надо крайне аккуратно, так как усилия мотора вполне достаточно чтобы «сорвать» механизм блокировки или поломать полуось. Применять такие блокировки желательно только на небольших скоростях для передвижения по труднопроходимой местности, так как при их применении в мостах (особенно в рулевых), автомобиль очень сильно теряет в управляемости. Как правило, жесткими блокировками мостовых и межосевых дифференциалов оборудуются полноценные рамные внедорожники, такие как Toyota Land Cruiser, 4Runner (Hilux Surf), Mercedes G-Class и. т. п.

     Limited Slip Differentials — дифференциалы с ограниченным «проскальзыванием» (одной полуоси относительно другой).

 

 

 

Автоматическая блокировка с использованием

вискомуфты в качестве «Slip Limiter». 

 

     В этом случае применяется блокировка одной из полуосей с чашкой дифференциала. Вискомуфта монтируется соосно полуоси таким образом, что один её привод жестко крепится к чашке дифференциала, а другой — к полуоси. При нормальном движении угловые скорости вращения чашки и полуоси одинаковые, либо незначительно отличаются (в повороте). Соответственно, рабочие плоскости вискомуфты имеют такое же небольшое расхождение в угловых скоростях и муфта остаётся разомкнутой. Как только одна из осей начинает получать ощутимо больший момент и более высокую угловую скорость вращения относительно другой, в вискомуфте появляется трение и она начинает блокироваться. Причем, чем больше разница в скоростях, тем сильнее трение внутри вискомуфты и степень её блокировки. По мере увеличения степени блокировки вискомуфты и выравнивания угловых скоростей чашки и полуоси, трение внутри вискомуфты начинает падать, что ведёт к плавному размыканию вискомуфты и отключению блокировки. Данная схема применяется для межосевых дифференциалов, так как её конструкция слишком массивна для установки на мостовой редуктор. (Схема на картинке) Подобный механизм блокировки хорошо подходит для эксплуатации в условиях плохого дорожного покрытия, однако, в условиях настоящего бездорожья его способности далеко не выдающиеся: вискомуфта не справляется с постоянными сменами состояний сцепления мостов с грунтом, запаздывает при включении, перегревается и выходит из строя. Данный тип блокировки межосевого дифференциала можно встретить на «паркетных» внедорожниках: Toyota Rav4, Lexus RX300 и. т. п.

 

 

 

 Кулачковые и зубчатые автоматические блокировки. 

     Принцип работы этих блокировок достаточно прост. Вместо классического шестеренчатого планетарного механизма используются кулачковые или зубчатые пары, которые при небольшой разнице в угловых скоростях полуосей имеют возможность взаимно проворачиваться (перескакивать), а при пробуксовке заклиниваются и блокируют полуоси друг с другом. Нетрудно себе представить, что происходит с автомобилем при срабатывании такой блокировки в повороте.

    Некоторые экземпляры просто отключают одну из полуосей в момент возникновения небольшой разницы скоростей. Именно поэтому, штатно такими блокировками оборудуются только дифференциалы военной и специальной техники (БТР и. т. п.)

    На картинках изображены (слева направо): кулачковая блокировка отечественного производства (БТР 60), Detroit Locker и Detroit E-Z Locker (компания Tractech).

 

 

 

Самоблокирующиеся дифференциалы.
   

     Устройство таких дифференциалов довольно простое и принципиально ни чем не отличается от устройства обычного открытого дифференциала. Между полуосями и чашкой дифференциала добавлены комплекты блоков фрикционных пластин (которые помечены на картинке справа красными точками). Именно поэтому, подобные дифференциалы часто именуют «friction based LSD». Когда дифференциал пытается перераспределить крутящий момент на одну из полуосей и начинает возникать разница в угловых скоростях полуосей и чашки, пластины под действием силы трения сдерживают возникновение этой разницы. Разумеется, когда величина крутящего момента превосходит силу трения пластин, всё вращение передаётся на более легко вращаемую полуось. Такие блокировки работают в сравнительно небольшом диапазоне отношения моментов.

 

      Довольно часто фрикционные блоки подпружинивают. Такие дифференциалы штатно устанавливаются в задний мост многих внедорожников — Toyota 4Runner (Hilux Surf), Nissan Terrano, Kia Sportage и. т. п. Американская компания ASHA Corp. пошла дальше, снабдив пакет фрикционов LSD дифференциала устройством блокировки, состоящего из насоса с поршнем (Героторный дифференциал). При возникновении разности в угловых скоростях полуоси и чашки насос нагнетает масло (жидкость) на поршень и сдавливает фрикционный блок, тем самым блокируя дифференциал. Данная конструкция получила название Gerodisk (Hydra-Lock) и штатно устанавливается на внедорожники Chrysler (на картинке слева). Практически для всех friction based дифференциалов необходимо применять специальное масло, которое содержит присадки, обеспечивающие нормальную работу фрикционных блоков.

Torque sensitive differentials.

     Это одна из самых интересных, эффективных, технологичных и практически применяемых форм блокировки дифференциалов. Принцип работы основан на свойстве гипоидной пары «расклиниваться». В связи с этим, основные (или все) зацепления в таких дифференциалах гипоидные (червячные, или в простонародье — винтовые). Разновидностей конструкций не так уж и много — можно выделить три основных типа.

     Первый тип производит компания Zexel Torsen. (T-1) Гипоидными парами являются шестерни ведущих полуосей и сателлиты. При этом каждая полуось имеет собственные сателлиты, которые парно связанны с сателлитами противоположной полуоси обычным прямозубым зацеплением. Следует отметить, что ось сателлита перпендикулярна полуоси. При нормальном движении и равенстве передаваемых на полуоси моментов, гипоидные пары «сателлит / ведущая шестерня» либо остановлены, либо проворачиваются, обеспечивая разницу угловых скоростей полуосей в повороте.

     Как только дифференциал пытается отдать момент на одну из полуосей, то гипоидную пару этой полуоси начинает расклинивать и блокировать с чашкой дифференциала, что приводит к частичной блокировке дифференциала. Данная конструкция работает в самом большом диапазоне отношений крутящего момента — от 2.5/1 до 5.0/1, то есть является самой мощной в серии. Диапазон срабатывания регулируется углом наклона зубцов червяка.

     Автором второго типа является англичанин Rod Quaife. В данном случае, оси сателлитов параллельны полуосям. Сателлиты расположены в своеобразных карманах чашки дифференциала. При этом парные сателлиты имеют не прямозубое зацепление, а образуют между собой еще одну гипоидную пару, которая расклиниваясь, так же участвует в процессе блокировки (на второй картинке). Подобное устройство имеет и дифференциал True Trac компании Tractech. Даже у нас в России появилось производство аналогичных дифференциалов под отечественные автомобили УАЗ и. т. д.


     А вот компания Zexel Torsen в своём дифференциале T-2 предложила немного другую компоновку по сути, того же устройства (на картинке справа). Благодаря своей необычной конструкции, парные сателлиты соединены между собой со внешней стороны солнечных шестерней. По сравнению с первым типом, эти дифференциалы имеют меньший диапазон работы блокировки, однако они более чувствительны к разнице передаваемого момента и срабатывают раньше (начиная от 1.4/1). Компания Tractech недавно выпустила мостовой torque sensitive дифференциал Electrac, снабженный принудительной электроприводной блокировкой.


     Третий тип производится компанией Zexel Torsen (Т-3) и используется в основном для межосевых дифференциалов. Планетарная структура конструкции позволяет сместить номинальное распределение момента в пользу одной из осей. Например, используемый на 4Раннере 4-го поколения дифференциал Т-3 имеет номинальное распределение момента 40/60 в пользу задней оси. Соответственно, смещен и весь диапазон работы частичной блокировки: от (front/rear) 53/47 до 29/71.
В целом, смещение номинального распределения момента между осями возможно в диапазоне от 65/35 до 35/65. Срабатывание частичной блокировки происходит при 20-30% разнице в передаваемых на оси моментах. Так же, подобная структура дифференциала делает его компактным, что в свою очередь, упрощает конструкцию и улучшает компоновку раздаточной коробки.
Вышеописанные torque sensitive дифференциалы очень популярны в автоспорте. Более того, многие производители устанавливают такие дифференциалы на свои модели штатно, как в качестве межосевых, так и межколёсных дифференциалов. Например, Тойота устанавливает такие дифференциалы как на легковые автомобили (Supra, Celica, Rav4, Lexus IS300, RX300 и. т. д), так и на внедорожники (4Runner / Hilux Surf, Land-Cruiser, Mega-Cruiser, Lexus GX470) и автобусы (Coaster Mini-Bus). Данные дифференциалы не требуют применения специальных присадок к маслу (в отличии от friction-based дифференциалов), однако лучше использовать качественное масло для нагруженных гипоидных передач.

 

 

 

Управление работой дифференциалов при помощи электронных систем контроля тормозных усилий (Traction Control и т. п.)


     В современном автомобилестроении применяется всё больше и больше электронных систем контроля за движением автомобиля. Уже редко можно встретить автомобили, не оснащенные системой ABS (не дающей колёсам заблокироваться при торможении). Более того, уже с конца 80-х годов прошлого века передовые производители стали комплектовать свои флагманские модели системами контроля тяги и сцепления колёс — Traction Control. Например, Тойота установила систему Traction Control на Lexus LS400 в 1989 (90) году. Принцип работы такой системы прост: универсальные (так же обслуживают ABS) датчики вращения, установленные на контролируемых колёсах, фиксируют начало пробуксовки одного колеса оси относительно другого и система автоматически притормаживает забуксовавшее колесо, тем самым увеличивая на него нагрузку и вынуждая дифференциал отдать момент на колесо с хорошим сцеплением. При сильной пробуксовке, система так же может ограничивать подачу топлива в цилиндры. Работа такой системы очень эффективна, особенно на заднеприводных автомобилях. Как правило, при желании такую систему можно принудительно деактивировать кнопкой на приборной панели. Со временем, электронная система контроля тормозных усилий совершенствовалась и к ней добавлялись всё новые функции, работающие наряду с ABS и TRAC. (например управление разностью разблокировки рулевых колёс для более успешного прохождения поворотов). У всех производителей эти функции назывались по разному, однако смысл при этом оставался одинаковым. И вот, данные системы стали устанавливаться на полноприводные автомобили и внедорожники, причем в некоторых случаях они являются единственным средством контроля тяги и перераспределения крутящего момента между осями и колёсами (Mercedes ML, BMW X5). В случае, если внедорожник оснащен более серьёзными средствами распределения крутящего момента (жесткими блокировками и/или самоблокирующимися дифференциалами), то электронная система контроля тормозных усилий очень удачно дополняет эти средства. Хороший пример тому — великолепная управляемость и проходимость последнего поколения Тойотовских внедорожников 4Runner (Hilux Surf), Prado, Lexus GX470. Являясь представителями одной платформы, они обладают межосевым дифференциалом Torsen T-3 с возможностью жесткой блокировки, а так же электронной системой контроля тормозных усилий и тяги со множеством функций, помогающих водителю управлять автомобилем.

Автор неизвестен.

Просмотров: 100222

Дата: Среда, 24 Марта 2010

Дифференциал КПП: назначение, устройство, принцип работы

Дифференциал — механизм в устройстве трансмиссии, который необходим для передачи, преобразования и распределения крутящего момента. В случае с автомобилем, дифференциал отвечает за распределение момента между ведущими колесами, а также позволяет колесам вращаться с разной угловой скоростью при определенных условиях.

Содержание статьи

Где находится дифференциал в устройстве трансмиссии автомобиля, виды дифференциалов

Как известно, автомобили бывают переднеприводными, заднеприводными, а также полноприводными. Что касается места расположения дифференциала:

  • если привод реализован на передние колеса, дифференциал находится в самой коробке передач;
  • на заднеприводном авто дифференциал устанавливается в картере заднего моста;
  • в автомобилях с полным приводом для привода ведущих колес дифференциал стоит в картере переднего и заднего моста, а для привода ведущих мостов механизм устанавливается в раздаточной коробке (раздатке).

Также дифференциалы бывают межколсесными и межосевыми. Если дифференциал использован для привода ведущих колес, это межколесный дифференциал. Межосевой дифференциал располагается между ведущими мостами применительно к автомобилям с полным приводом.

Что касается устройства и особенностей конструкции, в основу дифференциала положен планетарный редуктор. С учетом типа зубчатой передач, которая применена в редукторе, дифференциал (редуктор) может быть: коническим, цилиндрическим, червячным. Теперь давайте рассмотрим устройство и принцип работы дифференциала более подробно.

Устройство дифференциала и принцип работы

Начнем с первого типа. Конический дифференциал зачастую выполнят функцию межколесного дифференциала. Цилиндрический дифференциал обычно встречается на полном приводе и ставится между осями. Червячный дифференциал универсален, что позволяет ставить механизм как между колесами, так и использовать в качестве межосевого.

При этом наиболее распространенным является конический дифференциал, а базовые элементы его конструкции активно используются и в устройстве других типов дифференциалов. По этой причине рассмотрим устройство и принцип работы конического дифференциала в качестве примера.

  • Итак, конический дифференциал, как уже было сказано выше, фактически является планетарным редуктором. В конструкцию включены полуосевые шестерни и сателлиты, которые находятся в корпусе (чашке дифференциала).

На корпус от главной передачи передается крутящий момент, затем через сателлиты происходит его передача на полуосевые шестерни. Также на корпусе крепится ведомая шестерня главной передачи (крепление жесткое). В корпусе установлены оси, на осях вращаются сателлиты.

Сами сателлиты, которые реализуют функцию планетарной шестерни, позволяют соединить корпус и полуосевые шестерни. С учетом того, какую величину крутящего момента нужно передать, в конструкцию дифференциала могут интегрировать 2 или 4 четыре сателлита.

Солнечные (полуосевые шестерни) осуществляют передачу крутящего момента на ведущие колеса автомобиля. Передача происходит через полуоси, соединение полуосевых шестерен и полуосей выполнено через шлицы.

Полуосевые шестерни бывают левыми и правыми, с одинаковым или разным количеством зубьев. Если число зубьев одинаковое, тогда это симметричный дифференциал, разное количество зубьев на левой и правой шестерне используется в устройстве несимметричных дифференциалов.

В первом случае симметричный дифференциал позволяет распределять крутящий момент по осям в равной степени, причем независимо от величины угловых скоростей ведущих колес.

Такой дифференциал используют для установки между колесами (симметричный межколесный дифференциал). Несимметричный дифференциал способен разделять крутящий момент в том или ином соотношении. Данная особенность позволяет использовать его между ведущими осями.

Теперь перейдем к принципам работы дифференциала. Прежде всего, симметричный дифференциал работает в трех основных режимах. Первый режим – движение по прямой, второй — движение в повороте, третий — езда по дорогое с плохим сцеплением (грязь, лед и т.д.).

Когда автомобиль движется прямо, колеса испытывают равнозначное  сопротивление. Происходит передача крутящего момента от главной передачи на корпус дифференциала. Вместе с корпусом перемещаются сателлиты, которые, в свою очередь, осуществляют передачу момента на ведущие колеса.

С учетом того, что вращения сателлитов на осях не происходит, движение полуосевых шестерен осуществляется с равной угловой скоростью, частота вращения левой и правой шестерни равна частоте вращения ведомой шестерни главной передачи.

Однако если машина заходит в поворот, колесо, которое находится ближе к центру (внутреннее ведущее) нагружается сильнее и начинает испытывать большее сопротивление сравнительно с наружным колесом (дальним от центра поворота).

В результате роста нагрузки внутренняя полуосевая шестерня несколько замедляет вращение, а это приводит к тому, что сателлиты начинают вращаться вокруг своей оси. Такое вращение сателлитов приводит к увеличению частоты вращения наружной полуосевой шестерни.

  • На практике возможность движения ведущих колес с разными угловыми скоростями делает возможным прохода поворота без пробуксовок. Кстати, крутящий момент все равно распределяется на ведущие колеса равнозначно.

Если же автомобиль забуксовал в грязи, в снегу или на льду, одно колесо испытывает большее сопротивление, чем другое. В этом случае дифференциал (благодаря своей конструкции) инициирует ускоренное вращение буксующего колеса, тогда как другое колесо замедляется.

Однако недостаточная сцепка с покрытием не позволяет получить большой крутящий момент на буксующем колесе, а особенность работы симметричного дифференциала не позволит также развить нужный момент на другом колесе. Часто в этом случае машина попросту не может продолжить  дальнейшее движение.

Выходом из ситуации становится необходимость увеличения крутящего момента на колесе, которое не буксует. Для этого дифференциал необходимо заблокировать. По этой причине внедорожники имеют дополнительную возможность блокировки дифференциала, тогда как легковые авто и даже некоторые современные бюджетные «паркетники» лишены такой функции. 

Читайте также

Блокировка дифференциалов автомобиля. Виды блокировок

« Назад

Блокировка дифференциалов автомобиля. Дифференциал повышенного трения («Квайфа»)  01.02.2019 08:16

   Дифференциал автомобиля — устройство, распределяющее крутящий момент с ведущего вала на правое и левое ведущие колеса одной оси (межколесный дифференциал) или передающее момент с двигателя на переднюю или заднюю ось ( межосевой  дифференциал). Это чисто механическое устройство отличается простотой (обычно в нем всего четыре конических шестерни), компактностью и полностью соответствует своему названию: если оба колеса моста имеют одинаковое сцепление с дорогой и усилие, необходимое для раскручивания каждого из колёс одинаковое, дифференциал  делит крутящий момент в фиксированном соотношении (обычно 50:50) и никак не препятствует вращению выходных валов с разной скоростью. 

 Но стоит только появится ощутимой разнице в сцеплении колёс с дорогой (например, одно колесо попало на лёд, а другое осталось на асфальте), как дифференциал тут же начнёт перераспределять момент на то колесо, усилие для раскрутки которого наименьшее (то есть на то, которое находится на льду). В результате, колесо, находящееся на асфальте перестанет получать крутящий момент и остановится, а колесо, находящееся на льду примет на себя весь момент и будет вращаться с увеличенной угловой скоростью, причем планетарный механизм будет играть роль редуктора, повышающего скорость вращения этого колеса. Естественно, это явление сильно ухудшает проходимость и управляемость автомобиля. Ведь по логике вещей, в рассмотренной ситуации момент желательно передавать на колесо, расположенное на асфальте, чтобы автомобиль мог продолжить движение. 

Выходом из подобной ситуации стало использование автоматического дифференциала повышенного трения . Автором этой конструкции является англичание Rod Quaife. 

Конструкция дифференциала представляет собой планетарный редуктор, состоящий из червячных шестерен: ведомых (полуосевых) и ведущих (сателлитов). Оси сателлитов параллельны полуосям , а сами сателлиты расположены в своеобразных  карманах чашки дифференциала. При этом парные сателлиты имеют не прямозубое зацепление, а образуют между собой еще одну гипоидную пару, которая расклиниваясь, так же участвует в процессе блокировки полуосей. 

Когда одно из колес (напрмер, правое) начинает отставать, связанная с ним полуосевая шестерня 1 вращается медленнее корпуса дифференциала
и поворачивает входящий с ней в зацепление червячный сателлит 2 . Он передает движение парному с ним сателлиту 3 из левого ряда, а тот — на левую полуосевую шестерню 4. Так обеспечиваются разные угловые скорости колес в повороте.

Благодаря разности крутящих моментов на колесах в винтовом зацеплении возникают осевые и радиальные силы, прижимающие полуосевые шестерни 1, 4 и сателлиты 2, 3 торцами к корпусу и крышке диференциала. Сателлиты 2 и 3 также прижимаются к поверхностям отверстий, в которых они расположены. За счет этого и возникают силы, осуществляющие частичную блокировку полуосей. Степень блокировки определяется коэффициентом блокировки . 

Основными характеристиками самоблокирующего дифференциала являются: коэффициент блокировки (%)  и величина преднатяга (кг).

 Кооффициент бокировки дифференциала (КБД) — это отношение между моментами на отстающем и забегающем колесе. КБД выражается в проценте — от 0 до 100%. Коэффициент блокировки определяется углом наклона зуба червячного сателлита. Обычно — 24 градуса.  Настоящий фирменный «Квайф» имеет угол наклона зуба сателлитов 36 градусов. Стопроцентым КБД обладают две сваренные между собой полуоси ведущего моста.

Преднатяг задается установкой пакета специальных пружинных шайб , что  обеспечивает предварительный «распор» шестеренок внутри блокировки. Набор шайб в пакете обычно равен 1 см в сложенном состоянии. Шайбы имеют различную толщину для возможности подбора и регулировки момента преднатяга. Ресурсным преднатягом является натяг до 5 кг, т.к. шайбы при таком натяге не сдавлены до полоского состояния.  Блокировка с таким натягом может критично не терять свих свойств 3…4 года. Любая натяжная блокировка теряет до 1 кг натяга в первые 2 месяца эксплуатации. По рекомендациям специалистов, величина преднатяга переднего винтового самоблокирующегося дифференциала не должна превышать 5,0 кг, а заднего — 7,0 кг. Если блокировка имеет максимальное значение преднатяга 8-9 кг, то шайбы в пакете будут сжаты до плоского состояния, что приведет к потере пружинных свойств пакета.   

Преднатяг – это компромисс между комфортом езды и тяговыми качествами авто. Чем больше величина преднатяга, тем раньше и резче срабатывает блокировка, и это хорошо на бездорожье, но может быть опасно при обычных условиях движения. Особенно это важно при установке «самоблока» в передний мост, поскольку может привести к нежелательному рывку на руле. Вавод таков:  много ездите по бездорожью, вам важно раннее срабатывание блокировки – выбирайте большой предварительный натяг, большую часть времени катаетесь по нормальным дорогам – подойдут блокировки с меньшим значением.

 

Основные достоинства самоблокирующегося дифференциала «Квайфа» 

 

  • позволяет частично устранить пробуксовку при разных коэффициентах сцепления колес авто
  • повышает проходимость и управляемость авто при при движении на дорогах с разным покрытием
  • улучшает динамику разгона авто на дорогах с любым покрытием
  • не требует специальных усилий от водителя (включение самоблока происходит автоматически)
  • взаимозаменяем со стандартными дифференциалами
  • полной блокировки не наступает, что исключает поломку полуосей
  • разблокируется при сбросе газа

Винтовые самоблокирующиеся дифференциалы наиболее пригодны для использования на обычном автомобиле. Они надежны (сопоставимы по ресурсу с КПП), имеют наиболее сглаженные моменты включения-выключения и широкие возможности по блокировке.

 

Дифференциал трактора

Дифференциал. При повороте колесного трактора (рис. 1, а, б, в, г, д) его колесо, идущее ближе к центру поворота 0, проходит меньший путь, чем колесо, расположенное дальше от центра. Следовательно, внутреннее и наружное колеса за это время сделают различное число оборотов, т.е. будут вращаться с разной частотой.

Рис. 1. Дифференциал:

а — схема поворота колесного трактора; б — дифференциал не заблокирован; в — дифференциал заблокирован; г — устройство; д — схема действия; 1, 14 — валы; 2, 5, 11, 13, 15 — шестерни; 3, 12 — полуоси; 4 — педаль; 6 — ось; 7 — ступица; 8 — неподвижная муфта; 9 — подвижная муфта; 10 — пружина; 16 — сателлиты.

Чтобы ведущие колеса трактора при поворотах могли иметь различную частоту вращения, их устанавливают не на одном общем валу, а на двух самостоятельных, называемых полуосями 3 и 12. На этих полуосях также укреплены ведомые шестерни 11 конечной передачи.

Кроме того, в ступице ведомой шестерни 2 главной передачи установлен специальный механизм — дифференциал, который распределяет крутящий момент между ведущими колесами и обеспечивает при необходимости их вращение с различной частотой.

Устройство. Дифференциал состоит из корпуса (его роль выполняет разъемная ступица 7 ведомой шестерни главной передачи), внутри которого размещены конические шестерни 5 и 15, соединенные валами 14 с ведущими шестернями 13 конечной передачи, и жестко закрепленные оси 6 со свободно сидящими на них небольшими коническими шестернями — сателлитами 16. Сателлиты своими зубьями соединяются с шестернями 5 и 15.

Действие. При вращении вала 1 ведущей шестерни главной передачи крутящий момент передается шестерне 2 с закрепленными в ее ступице осями 6 сателлитов. Сателлиты 16 при этом увлекают за собой шестерни 5 и 15. От этих шестерен вращение через конечную передачу передается на ведущие колеса трактора.
Если сопротивление вращению обеих полуосевых шестерен 5 и 15 одинаково, что бывает при движении трактора по прямой ровной дороге, сила Р передается на зубцы шестерен одинаковыми частями Р/2. Сателлиты при этом не вращаются вокруг осей, а выполняют роль замка, соединяющего обе шестерни.

Если сопротивление увеличится, например, на колесе, получающем вращение через шестерню 5, тогда сателлит 16 начнет вращаться на оси 6 и, перекатываясь по шестерне 5, будет увеличивать частоту вращения шестерни 15. При этом частота вращения шестерни 15 увеличится настолько, насколько уменьшится частота вращения шестерни 5, а передаваемые крутящие моменты на каждое из колес останутся равными. Если шестерню 5 полностью затормозить, то частота ращения шестерни 15 будет в 2 раза больше, чем при движении трактора по прямой.

При движении трактора по прямой дороге с хорошим однородным покрытием сцепление с почвой, частоты вращения и толкающие силы его ведущих колес одинаковы.

Если правое и левое колеса трактора катятся по грунту различной плотности, то вследствие неодинакового сцепления колес с почвой их буксование будет разным, а это приведет к тому, что частота их вращения и развиваемая сила тяги каждого колеса будут различны.

Но так как между колесами установлен дифференциал, уравнивающий передаваемые крутящие моменты, общее тяговое усилие, развиваемое колесами, будет равно удвоенному тяговому усилию колеса, идущего по грунту меньшей плотности.

Устройства для блокировки дифференциала. Дифференциал можно блокировать механически, нажимая на соответствующую педаль, и автоматически.

Механическое устройство состоит из подвижной кулачковой муфты 9 (см. рис. 1, г), установленной на шлицах полуоси 12 левого ведущего колеса, приводимого в движение педалью 4, и неподвижной муфты 8, закрепленной на полуоси 3 правого колеса.

Действие такого устройства заключается в следующем. Когда тракторист нажимает на педаль 4, пружина 10 сжимается, подвижная часть муфты 9 передвигается по шлицам, входит в выемки неподвижной муфты 8 (см. рис. 1, в) и тем самым жестко соединяет обе полуоси в один общий вал. Ведущие колеса трактора при этом могут вращаться только с одинаковой частотой.

При снятии ноги с педали подвижная муфта под действием пружины занимает исходное положение (см. рис. 1, б).

Автоматическое устройство состоит из исполнительного механизма, расположенного на кожухе левого тормоза трактора, и датчика, установленного в системе гидроусилителя рулевого управления.

Рис. 2. Автоматическая блокировка дифференциала:

а — устройство; б — механизм включения; 1 — блокировочный вал; 2 — ведомые диски; 3 — диафрагма; 4 — нажимные диски; 5 — маховичок; 6 — насос; 7 — бак; 8 — редукционный клапан; 9 — кран; 10 — направляющие колеса; 11 — золотник; 12 — рейка; 13 — шарик; 14 — крестовина; 15 — конечная передача; 16 — тросик; 17 — рукоятка.

Исполнительный механизм представляет собой дисковое сцепление, ведомые диски 2 (рис. 2, а) которого соединены с левой ведущей шестерней конечной передачи 15, а нажимные диски 4 через блокировочный вал 1 — с крестовиной 14 дифференциала.

Датчик автоматического устройства состоит из золотника 11 и поворотного крана 9 с маховичком 5. В состав датчика входит также нерегулируемый редукционный клапан 8, поддерживающий в гидросистеме давление 0,7.. 0,8 МПа при температуре масла 40…70 °С.

Действие механизма автоматической блокировки заключается в следующем. При установке маховичка 5 в положение «Включено» во время движения трактора по прямой масло, подаваемое насосом 6, проходит через поворотный кран 9, затем поступает через золотник 11 в исполнительный механизм и начинает давить на диафрагму 3. Диафрагма сжимает между собой диски 2 и 4 и выключает дифференциал из работы.

При повороте направляющих колес 10 трактора на угол больше 8° рейка 12 перемещается вправо или влево (в зависимости от направления поворота), шарик 13 золотника выходит из углубления в рейке, золотник поднимается и соединяет внутреннюю полость крана 9 со сливным отверстием. Через это отверстие масло из напорной магистрали и полости диафрагмы направляется в бак 7, в результате чего происходит разблокирование дифференциала.

Управление маховичком 5 (см. рис. 2, б) производится рукояткой 17, установленной в кабине трактора, через тросик 16. Рукоятка 17 имеет три положения: I — рукоятка впереди — блокировка выключена; II — рукоятка сдвинута назад — автоматическая блокировка; III — рукоятка выдвинута назад до отказа — принудительная блокировка.
Если маховичок 5 поставить в положение «Выключено», кран 9 встанет так, что напорная масляная магистраль отключится от полости диафрагмы и она соединится со сливной магистралью. Автоматическую блокировку целесообразно применять при скоростях движения трактора не выше 10 км/ч. При работе трактора на транспортных скоростях заблокированный дифференциал значительно ухудшает маневренность трактора, что может привести к аварии.

Самоблокирующийся дифференциал. На передних ведущих колесах устанавливаются самоблокирующиеся дифференциалы, которые при прямолинейном движении трактора в отличие от обычных дифференциалов могут обеспечивать передачу па ведущие колеса крутящих моментов различных по величине. При этом, как было показано выше, повышается тяговое усилие трактора.

Конструкции самоблокирующихся дифференциалов бывают различными. В качестве примера рассмотрим применяемую на универсально-пропашных тракторах.

Устройство. Дифференциал состоит из двух корпусов 10 и 11 (рис. 3, а, б), соединенных между собой болтами.

Рис. 3. Самоблокирующийся дифференциал:

а — схема действия; б — устройство; 1, 2, 5 — шестерни; 3 — оси; 4 — сателлиты; 6 — чашки; 7 — ведущие диски; 8 — ведомые диски; 9 — полуоси; 10, 11 — корпуса; 12 — дифференциал не заблокирован; 13 — дифференциал заблокирован.

Внутри корпусов размещены четыре сателлита 4, посаженные на двух осях 3, две полуосевые шестерни 5 и два комплекта фрикционных дисков ведущих 7, имеющих наружные зубья, соединенные с внутренними зубьями корпусов 10 и 11, и ведомых 8, внутренними зубьями, соединенными с наружными зубьями ступиц полуосевых шестерен 5. Вместе с ведомыми дисками на ступицы шестерен 5 установлены нажимные чашки 6. Внутренние шлицы ступиц шестерен 5 соединяются с полуосями 9. Особенность данного дифференциала — наличие плавающих осей 3 сателлитов, которые могут перемешаться одна относительно другой. Для этой цели на концах осей сделаны скосы.

Действие. В том случае, если передний мост трактора не включен, дифференциал не заблокирован (см. рис. 3, б, I), он работает как обычный дифференциал.

После включения переднего моста в работу оси сателлитов под нагрузкой перемещаются по пазам — скосам (см. рис. 3, б, II) в корпусах 10 и 11 на величину зазоров между фрикционными дисками 7 и 8. От осей 3 усилие передается на сателлиты 4, которые при этом нажмут на чашки 6, а те, в свою очередь, сожмут диски 7 и 8 до упора в стенки корпусов.

При этом крутящий момент, подведенный шестерней 2, будет передаваться не только через зубья сателлитов, но и за счет сил трения между сжатыми дисками. При этом моменты, передаваемые зубьями сателлитов и полуосевых шестерен, окажутся одинаковыми, а моменты, передаваемые за счет трения, могут отличаться один от другого в зависимости от сцепления правого колеса с почвой.
При поворотах трактора с включенным передним мостом, когда внешние силы превысят силы трения между дисками 7 и 8, они будут пробуксовывать, не мешая повороту. [Трактор. Семенов В.М., Власенко В.Н. 1989 г.]

Похожие материалы

2 Устройство, принцип работы и схема межколесного дифференциала

Дифференциаломназывается механизм трансмиссии, распределяющий крутящий момент двигателя между ведущими колесами и ведущими мостами автомобиля. Дифференциал служит для обеспечения ведущим колесам разной скорости вращения при движении автомобиля по неровным дорогам и на поворотах. Разная скорость вращения ведущих колес, проходящих разный путь на поворотах и неровных дорогах, необходима для их качения без скольжения и буксования. В противном случае повысится сопротивление движению автомобиля, увеличатся расход топлива и износ шин.

Межколесный конический симметричный дифференциал состоит из корпуса, сателлитов, полуосевых шестерен, которые соединены полуосями с ведущими колесами автомобиля. Дифференциал легкового автомобиля имеет два свободно вращающихся сателлита, установленных на оси, закрепленной в корпусе дифференциала, а у грузового автомобиля –четыре сателлита, размещенных на шипах крестовины, также закрепленной в корпусе дифференциала.

При прямолинейном движении автомобиля по ровной дороге (рисунок 5.2,а) ведущие колеса одного моста проходят одинаковые пути, встречают одинаковое сопротивление движению и вращаются с одной и той же скоростью. При этом корпус дифференциала, сателлиты и полуосевые шестерни вращаются как одно целое. Сателлиты3не вращаются вокруг своих осей, заклинивают полуосевые шестерни 4,и на оба ведущих колеса передаются одинаковые крутящие моменты.

а – по прямой; б – на повороте; 1, 4 – шестерни; 2 — корпус; 3 – сателлит

Рисунок 5.2 Работа дифференциала при движении автомобиля

При повороте автомобиля (рисунок 5.2,б) внутреннее по отношению к центру поворота колесо встречает большее сопротивление движению, чем наружное колесо, и вращается медленнее, а вместе с ним замедляет свое вращение полуосевая шестерня внутреннего колеса. При этом сателлиты3начинают вращаться вокруг своих осей и ускоряют вращение полуосевой шестерни наружного колеса. В результате ведущие колеса вращаются с разными скоростями, что и необходимо при движении на повороте.

При движении автомобиля по неровной дороге ведущие колеса также встречают разные сопротивления и проходят разные пути. В соответствии с этим дифференциал обеспечивает им разную скорость вращения и качение без проскальзывания и буксования. Одновременно с изменением скоростей вращения происходит изменение крутящего момента на ведущих колесах. При этом крутящий момент уменьшается на колесе, вращающемся с большей скоростью. Так как симметричный дифференциал распределяет крутящий момент на ведущих колесах поровну, то в этом случае на колесе с меньшей скоростью вращения момент тоже уменьшается и становится равным моменту на колесе с большей скоростью вращения. В результате суммарный крутящий момент и тяговая сила на ведущих колесах падают, а тяговые свойства и проходимость автомобиля ухудшаются. Особенно это проявляется, когда одно из ведущих колес попадает на скользкий участок дороги, а другое находится на твердой сухой дороге. Если суммарного крутящего момента будет недостаточно для движения автомобиля, то автомобиль остановится. При этом колесо на сухой твердой дороге будет неподвижным, а колесо на скользкой дороге будет буксовать.

устройство, принцип действия и 3 типа блокировки

Содержание статьи

В современном автомобилестроении существует множество технических решений реализации дифференциала. В зависимости от привода автомобиля используют различные типы узлов: для заднеприводных, переднеприводных и дифференциальные устройства для внедорожников. Кроме того этот узел трансмиссии классифицируют по внутреннему устройству (конический, цилиндрический, червячный) и способу блокировки.

Дополнительно рекомендуем прочитать статью нашего специалиста, в которой подробно рассказывается о том, что такое трансмиссия.

Также советуем изучить материал нашего эксперта, посвящённый тому, что такое главная передача и каково её устройство.

Предназначение дифференциала в автомобиле

Основная задача дифференциала — обеспечивать колёсам разную скорость вращения. Такой способ  вращательного движения необходим для правильного вхождения машины в повороты, при пробуксовке колес и в другие моменты. Когда машина поворачивает, то разные колёса описывают разные траектории. Если ведущие колеса будут двигаться с одинаковой скоростью, то выполнить поворот на такой машине будет очень сложно. Распределение моментов между приводимыми в движение колёсами происходит при помощи дифференциала.

Во время пробуксовки одного из колёс, обычный планетарный механизм начнёт работать в сторону увеличения крутящего момента. Колесо начинает буксовать ещё сильнее. Колесо, находящееся на твёрдой поверхности, перестанет крутиться. Для решения таких проблем дифференциальные устройства обеспечиваются блокировочными механизмами различных типов: ручными или автоматическими. Блокировка дифференциала значительно повышает проходимость полноприводного автомобиля. Пока хотя бы одно колесо цепляет дорогу, машина двигается.

Классификация дифференциалов

Различают два основных вида дифференциальных механизмов: межколёсный и межосевой. Межколёсный предназначается для различных автомобилей с приводом на два колеса. Межосевой делит крутящий момент на все четыре. В зависимости от модели дифференциала, используются различные конструктивные решения механизма. В переднеприводных машинах этот узел обычно помещают в картере коробки передач. У заднепрводных раздаточные шестерни размещают в корпусе заднего моста.

Полноприводные внедорожники  используют для размещения дифференциального механизма чаще всего отдельную раздаточную коробку («Land Cruiser», «Нива»). Некоторые производители используют конструкцию с двумя раздельными дифференциалами (Jeep «Cherokee», UAZ «Hunter»),  размещёнными в переднем и заднем мостах.

Устройство и схема работы дифференциала на примере свободного дифференциала

Самым простым устройством на базе планетарного редуктора является свободный дифференциал. Рассмотрим вкратце принцип его действия. Вращение от двигателя передаётся на механизм шестернёй главной передачи. Зубья жёстко передают движение на ведомую шестерню большого размера, находящуюся в корпусе дифференциала.

На ведомой шестерёнке закреплены два конических сателлита с двумя степенями свободы: они вращаются вместе с ведомой шестернёй, и одновременно могут вращаться вдоль своей оси. Когда автомобиль едет прямо, сателлит бежит по большому кругу и передаёт одинаковое вращательное движение на обе полуоси. Как только машина поворачивает, сателлиты совершают вращательные движения вокруг своей оси, и скорость вращения полуосей изменяется. В результате одно из колёс движется медленнее, а другое, описывающее больший поворотный радиус, быстрее.

Зачем необходима блокировка дифференциала?

У свободного дифференциала есть один большой недостаток. В момент пробуксовки одного из колёс, сателлит начинает прокручиваться и передавать весь импульс движения на него. Буксующее колесо крутится с большой скоростью, в то время как стоящее на твёрдой почве второе колесо, бездействует. Особенно опасно, когда такие процессы происходят на большой скорости.

Если на дороге попадается участок с неравномерной обледенелой поверхностью, то машина со свободным дифференциалом может уйти в неуправляемый занос. Для решения этой проблемы используется блокировка дифференциала.

Типы дифференциалов по способу блокировки

Естественным решением предотвращения пробуксовки является временная приостановка одного из компонентов механизма. Существует несколько решений этой задачи: можно временно блокировать одно из колёс, полуось, сам дифференциальный узел или даже двигатель. По способу реализации разделяют блокировки следующих типов: ручная, самоблокирующаяся, электронная.

Дифференциалы с ручной блокировкой

Самым простым вариантом блокирования дифференциального механизма является его ручное отключение. Обычно такая функция реализуется с помощью специального рычага или кнопки в салоне внедорожника. Движением рычага блокируется возможность вращения сателлитов вдоль своей оси, и планетарка становится обычной муфтой. Выполнять подобную операцию следует только во время полной остановки автомобиля с выжатым сцеплением.

Использовать блокировку следует при движении на малых скоростях по сложнопроходимым дорогам. При отключенном дифференциале, автомобиль становится трудноуправляемым и стремится ехать по прямой.

Поэтому ручное управление механизмом раздачи мощности по колёсам требует определённых навыков водительского мастерства. Ручной блокировкой дифференциала оборудуются внедорожники с жёсткой рамой: «Land Cruiser», «Hilux», «Нива» и другие.

Самоблокирующиеся дифференциалы

Для увеличения проходимости автомобиля и упрощения управлением в трудных условиях были созданы несколько моделей самоблокирующихся дифференциалов. Принцип работы этих узлов основан на возникновении блокировки работы узла при определённых обстоятельствах.

Дифференциалы Speed sensitive

Рассмотрим подробнее дифференциалы Speed sensitive, которые срабатывают, если полуоси начинают вращаться на различных угловых скоростях.

Примером автомобиля, где установлен такой тип дифференциала, может служить Toyota «Rav4» с вискомуфтой. Одна часть этого узла закреплена на чашке дифференциала, другая часть на полуоси. В режиме обычного движения или небольшом расхождении в повороте, рабочие поверхности муфты двигаются независимо и не мешают вращению полуосей. Вращение одной из осей, с заметно большей скоростью, приводит к тому, что вискомуфта срабатывает и начинает тормозить движение.

При падении скорости, сила трения уменьшается, и части узла вновь становятся независимыми. Такой дифференциал вполне подходит для автовладельцев, которые не стремятся покорить все вершины бездорожья. В городском режиме и на грунтовых дорогах машины с такими дифференциалами прекрасно себя зарекомендовали. Но у вискомуфты есть проблемные места — в сложной ситуации она не тянет нагрузками, начинает греться, запаздывает со включением и может прийти в нерабочее состояние.

На спецтехнике устанавливают другой тип самоблокирующихся дифференциальных механизмов — кулачковые пары. Примером реализации служит «ГАЗ-66». Данная конструкция узла позволяет в разы повысить проходимость машины, но чревата опасными ситуациями, когда дифференциал самопроизвольно заклинивает. Схема действия проста, как всё гениальное. Вместо планетарки в механизме применяются зубчатые пары. Они свободно поворачиваются при малейших расхождениях в скоростях колёс, а при значительном расхождении заклинивают.

Интересный вариант конструкторского решения самоблокирующегося дифференциала реализован в Kia «Sportage». Основанный на похожих методах, что и вискомуфта, этот тип использует пластины для торможения нежелательных вращений. Принципиальным отличием или существенным усовершенствованием является использование гидравлической системы для сближения фрикционных пластин.

При возникновении большой разницы в скоростях полуосей срабатывает насос, который нагнетает давление масла в системе фрикционов и заставляет пластины сближаться. Таким образом, скорость вращения пробуксовывающего колеса начинает снижаться, и происходит перераспределение крутящего момента.

Дифференциалы Torque sensitive

Более современным и эффективным можно назвать дифферинциалы Torque sensitive, приходящие в рабочее состояние при снижении скорости вращения на одной из полуосей. Такой узел осуществляет контроль за показателями скоростей вращения и снижает их в автоматическом режиме.

Конструктивно такие дифференциальные устройства представляют собой обычный свободный дифференциал с комплектом подпружиненных фрикционных гасителей скорости, размещённых между полуосями и чашкой дифференциала. Принцип действия основан на свойствах гипоидных передач, которые могут самопроизвольно разблокироваться. Различают три основных конструктивных реализации этого типа дифференциалов.

Первый тип использовался на внедорожнике Toyota «Celica GT-4» и назывался Т-1. Каждая полуось в этом узле имеет свои сателлиты, связанные между собой. Таким образом, как только возникает разница в крутящих моментах сателлитов, червяк синхронизирует их, и колёса будут крутиться с одной и той же скоростью. Диапазон их разницы определяется углом наклона зубчиков межсателлитового вала.

Такой механизм приводит к тому, что колёса либо движутся с одной скоростью (при езде по прямой), либо благодаря синхронизированным сателлитам делают обороты с различными скоростями (при повороте). Никаких пробуксовок не возникает. Модель узла трансмиссии с такими характеристиками стала популярна не только среди внедорожников, её установили на спортивную машину Mazda «RX-7» (1991 г.).

В продолжение серии была выпущена модель T-2, более чувствительная к разнице в скоростях. Как и аналогичный механизм Rod Quaife, эта конструкция отличается наличием более сложной передачи между сателлитами вместо червяка. Эта модель приобрела ещё большую популярность и применима для большого количества машин: BMW «Z3», Audi «A4», «A6», «A8», родстеры Honda «S2000», Volkswagen «Passat» (B6), Mazda «MX-5», внедорожники «Range Rover», Hummer.

Третья разновидность дифференциалов модели Torque sensitive называется Т-3 и используется чаще всего в качестве межосевых узлов. Это более совершенная конструкция позволяет автоматически распределять нагрузку между задней и передней осями в определенном промежутке. Обычно это происходит в диапазоне 65 на 35. Если на пути Lexus «GX 470», оснащенного таким дифференциалом, выступает препятствие, то сила тяги у него будет подаваться на те колёса, которые ещё могут зацепить дорожное покрытие.

Дифференциалы с электронным управлением

Механический способ блокировки дифференциала не стоит рассматривать, как единственную разработку, направленную на улучшение проходимости и повышение контроля за автомобилем. Примером может служить система управления трансмиссией с помощью электроники — Traction Control (TRAC) — схема контролирования за тягой и сцеплением колёс. В основе TRAC лежит простой принцип: отслеживание и коррекция частоты оборотов колёс при помощи специальных датчиков.

Как только колесо начинает буксовать, в это время включается тормоз и крутящий момент уходит на другую полуось. На первый взгляд машина будет вести себя, как будто у неё блокировали дифференциал. На самом деле эта система даже эффективнее механической блокировки, проще в исполнении и надежнее. Кроме того, TRAC не создает помех в работе механизмов любых дифференциалов, а является их удачным дополнением. Именно поэтому современные внедорожники, такие как «Hilux», Lexus, «Prado» оборудованы электронным управлением Traction Control.

Активные дифференциалы

Наиболее популярным и современным решением в области конструирования дифференциального узла стало изобретение активного дифференциала. Идея этого механизма в том, чтобы не тормозить полуоси и колёса, а напротив, разгонять их до большей скорости. С помощью электроники и фрикционных сцеплений колесо, бегущее по внешнему кругу, получает в разы больший момент, чем внутреннее.

Благодаря этому техническому решению прохождение крутых поворотов отличается легкостью и устойчивостью. Это обстоятельство сразу же взяли на вооружение производители спортивных автомобилей. Но до выхода в широкое производство этому типу дифференциалов ещё далеко.

Заключение

Дифференциал за годы своего существования прошёл большой путь эволюционного развития и это не удивительно. Конструкторы автомобилей сделали всё возможное, чтобы этот узел стал надёжным и обеспечивал комфортное и беспрепятственное движение автомобиля. Если задаваться вопросом, с каким дифференциалом выбрать машину, то это наиболее улучшенная модель из разряда Torque sensitive, с дополнением в виде электронного управления Traction Control.

Пожалуйста, оцените этот материал!

Загрузка…

Если Вам понравилась статья, поделитесь ею с друзьями!

Сборка дифференциального усилителя | Операционные усилители

Схемы дифференциальных операционных усилителей

Операционный усилитель без обратной связи уже является дифференциальным усилителем, усиливающим разность напряжений между двумя входами. Однако его усиление нельзя контролировать, и оно, как правило, слишком велико, чтобы иметь какое-либо практическое применение. До сих пор наше применение отрицательной обратной связи к операционным усилителям приводило к практической потере одного из входов, в результате чего усилитель годился только для усиления одного входного сигнала напряжения.Однако, проявив немного изобретательности, мы можем построить схему операционного усилителя, поддерживающую оба входа напряжения, но с регулируемым коэффициентом усиления, устанавливаемым внешними резисторами.

Если все номиналы резисторов равны, этот усилитель будет иметь коэффициент усиления по дифференциальному напряжению, равный 1. Анализ этой схемы по существу такой же, как у инвертирующего усилителя, за исключением того, что неинвертирующий вход (+) операционного усилителя при напряжении, равном долям В 2 , вместо прямого соединения с землей.Логично предположить, что V 2 функционирует как неинвертирующий вход, а V 1 — как инвертирующий вход схемы оконечного усилителя. Следовательно:

Если бы мы хотели обеспечить дифференциальное усиление, отличное от 1, нам пришлось бы отрегулировать сопротивления в как верхнем, так и нижнем делителях напряжения , что потребовало бы многократной замены резисторов и балансировки между двумя делителями для симметричной работы. Это не всегда практично по понятным причинам.

Буферизация сигнала входного напряжения

Другим ограничением этой конструкции усилителя является тот факт, что его входное сопротивление довольно низкое по сравнению с некоторыми другими конфигурациями операционных усилителей, особенно с неинвертирующим (несимметричным входом) усилителем. Каждый источник входного напряжения должен пропускать ток через сопротивление, которое имеет гораздо меньший импеданс, чем голый вход одного только операционного усилителя. Решение этой проблемы, к счастью, достаточно простое. Все, что нам нужно сделать, это «буферизировать» каждый сигнал входного напряжения через повторитель напряжения, подобный этому:


Теперь входные линии V 1 и V 2 подключены напрямую ко входам двух операционных усилителей повторителей напряжения, что обеспечивает очень высокое сопротивление.Два операционных усилителя слева теперь обрабатывают ток через резисторы вместо того, чтобы позволить источникам входного напряжения (какими бы они ни были) делать это. Повышенная сложность нашей схемы минимальна для существенного преимущества.

СВЯЗАННЫЕ РАБОЧИЕ ЛИСТЫ:

Для чего используется дифференциальный усилитель? (Коэффициент подавления синфазного сигнала: CMRR) | Toshiba Electronic Devices & Storage Corporation

Дифференциальные усилители используются в основном для подавления шума.
Шум состоит из типичного дифференциального шума и синфазного шума, последний из которых можно легко подавить с помощью операционного усилителя.
Есть две основные причины синфазного шума:

  1. В проводах и кабелях возникают помехи из-за электромагнитной индукции и т. д., которые вызывают разность потенциалов (т. е. шум) между заземлением источника сигнала и заземлением цепи.
  2. Ток, протекающий в землю цепи из другой цепи, вызывает повышение потенциала земли (шум).

В любом случае потенциал земли, опорный для цепи, колеблется из-за шума. Типичными фильтрами сложно удалить синфазный шум. Дифференциальные усилители используются как средство подавления синфазных помех.
Операционный усилитель конфигурирует этот дифференциальный усилитель как основную схему. Символ, показанный ниже, представляет собой дифференциальный усилитель. Имеет два входа: В В (+) и В В (-). Выходное напряжение равно разности напряжений между двумя входами, умноженной на коэффициент усиления усилителя (А В ):
В ВЫХ В ВХОД (+) — В ВХОД (-)}
Предположим, что синфазный шум (v шум ) накладывается на дифференциальные входы.Затем
V IN (+)’=V IN (+) + V шум
V IN (-)’=V IN (-) + V шум
Следовательно, выход выражается следующее. Это указывает на то, что дифференциальный усилитель
подавляет синфазный шум:
V OUT =A V [{V IN (+) + V шум } — {V IN (-) + V шум }]
=A V {V IN (+) — V IN (-)}

Коэффициент ослабления синфазного сигнала (CMRR) определяется как одна из электрических характеристик операционного усилителя.

Что такое дифференциальный усилитель? Определение и работа дифференциального усилителя

Определение : Дифференциальный усилитель — это устройство, которое используется для усиления разницы в напряжении двух входных сигналов. Дифференциальный усилитель является важным строительным блоком в интегральных схемах аналоговой системы.

Обычно он образует входных каскада из операционных усилителей . Простыми словами можно сказать, что это устройство, которое усиливает разницу двух входных сигналов.

Давайте посмотрим на приведенную ниже схему, где операционный усилитель используется в качестве дифференциального усилителя:

Здесь усиливается разность напряжений на инвертирующем и неинвертирующем терминале, и, таким образом, на выходе получается усиленный выходной сигнал. Из-за конфигурации входа все операционные усилители считаются дифференциальными усилителями.

Когда два входа подаются на две клеммы, полученная в результате разность напряжений будет пропорциональна разнице двух приложенных входных сигналов .Дифференциальный усилитель ведет себя как схема вычитания , которая в основном вычитает два входных сигнала. Дифференциальный усилитель может быть построен с использованием биполярных транзисторов и полевых транзисторов .

Цепь дифференциального усилителя

Как мы видим на принципиальной схеме, используются два входа и два выхода. Здесь используются два отдельных транзистора Q 1 и Q 2 , чтобы подать отдельные входы на базу обоих транзисторов.

В идеале два отдельных транзистора обладают одинаковыми характеристиками. Резистор с общим эмиттером R E , общий положительный источник питания V CC и общий отрицательный источник питания V EE являются общими для обоих транзисторов.

Теперь нам приходит в голову, как мы можем подать сигналы на вход и получить выход.

В основном существует четыре конфигурации :

  • Балансный выход с двумя входами. В этой конфигурации задаются два входа, а выход берется с обоих транзисторов.
  • Несимметричный выход с двумя входами. Вход подается на оба транзистора, но выход берется с одного транзистора.
  • Балансный выход с одним входом. Здесь, предоставляя один вход, мы получаем выход от двух отдельных транзисторов.
  • Single Input Unbalance Output — это тип конфигурации, в которой на один вход подается выход, а выход берется только от одного транзистора.

Работа дифференциального усилителя

Давайте посмотрим Первый случай , где

На базу транзистора Q 1 подается сигнал, а на базу транзистора Q 2 никакого сигнала не подается.

Здесь Q 1 действует двояко: во-первых, как усилитель с общим эмиттером, благодаря которому приложенный вход Q 1 даст усиленный инвертированный сигнал на выходе 1.

Во-вторых, как усилитель с общим коллектором, в котором сигнал появляется на эмиттере Q 1 , который находится в фазе с входом и немного меньше.

Итак, входной сигнал на базе Q 1 управляет транзистором, т. е. Q 1 включается положительным входным сигналом.Падение напряжения на R C1 будет больше, в результате чего коллектор Q 1 будет менее положительным.

Когда входной сигнал отрицательный, транзистор Q 1 закрывается, что приводит к меньшему падению напряжения на резисторе R C1 , в результате чего коллектор Q 1 становится более положительным.

Таким образом, инвертированный выход появляется на коллекторе Q 1 путем подачи сигнала на вход 1.

В момент включения Q 1 положительной половиной входа ток через R E увеличится, как мы знаем I C ≈ I E .Таким образом, падение напряжения на R E будет больше, что заставит эмиттеры обоих транзисторов двигаться в положительном направлении.

Положительный эмиттер Q 2 приведет к тому, что база Q 2 станет отрицательной. Эта отрицательная половина вызовет меньший ток в Q 2 . В результате падение напряжения на R C2 также будет меньше, поэтому коллектор движется в положительном направлении.

Таким образом, у нас будет неинвертирующий выход на коллекторе Q 2 для положительного входа на базе Q 1 .

Теперь перейдем к нашему Второй кейс-

Предположим, что теперь сигнал подается на базу транзистора Q 2 , а транзистор Q 1 заземлен.

Таким образом, в этом случае рассмотренный выше случай поменяется местами, т. е. теперь Q 2 будет вести себя как общий эмиттер и общий усилитель, а Q 1 будет действовать как усилитель с общей базой.

Следовательно, на выходе Q 1 будет получен инвертированный и усиленный выход, а на выходе Q 2 будет неинвертированный усиленный выход.

Что такое синфазные сигналы?

В дифференциальном усилителе напряжение, генерируемое на выходе, пропорционально разности двух входных сигналов. Таким образом, когда два приложенных входа равны равным , т. е. нет разницы между двумя входными напряжениями, результирующее выходное напряжение будет 0 .

Но на практике, когда два одинаковых входа подаются на обе входные клеммы, выход точно не равен 0.

Выход в случае синфазного сигнала порядка нескольких 100 мкВ .

Важные ключевые термины

  • Усиление по напряжению : Когда мы говорим об усилении в синфазном режиме

Здесь V c — значение общего входа, подаваемого на обе входные клеммы, а Vo — выходной сигнал.

  • CMMR : CMMR означает Коэффициент подавления синфазного сигнала , он задается как отношение усиления дифференциального режима к усилению синфазного сигнала.

В дБ,  

Для идеального усилителя CMMR должно быть практически бесконечным , но на практике это не так и имеет конечное значение.

Определяется как отношение полезного сигнала к нежелательному сигналу . больше CMMR лучше усилитель .

Дифференциальный усилитель обеспечивает превосходную стабильность смещения благодаря использованию тока смещения эмиттера.

Дифференциальный усилитель моста Уитстона

Дифференциальный усилитель также может быть дифференциальным компаратором напряжения, где он сравнивает один входной сигнал с другим.

Предположим, мы подключаем один вход к фиксированному эталонному напряжению, а другой — к светозависимому резистору или термистору. Мы можем обнаружить низкий или высокий уровень света.

Это так, потому что теперь выходное напряжение будет линейной функцией изменений в мостовой схеме.

Преимущества дифференциального усилителя

  • Помехозащищенность : Когда мы используем дифференциальный усилитель, он реагирует только на разностный сигнал между входными клеммами и игнорирует все синфазные сигналы, такие как шумы и напряжения земли.
  • Защита от дрейфа : Одной из основных проблем, возникающих в усилителях, является изменение уровней или значений напряжения под воздействием температуры. Эти изменения происходят медленно и известны как дрейф.Дифференциальные усилители демонстрируют потрясающую способность устранять проблему дрейфа.

Конструкция дифференциального усилителя используется во всех тех схемах, где очень важен малый дрейф. Например, этапы осциллографа и электронного вольтметра.

Учебное пособие по схеме дифференциального усилителя

с использованием BJT и операционного усилителя

Дифференциальный усилитель

В этом посте подробно описаны дифференциальный усилитель на биполярном транзисторе и дифференциальный усилитель на операционных усилителях.Пожалуйста, пройдите их оба, чтобы лучше понять.

Электрические схемы и подробные уравнения предоставляются вместе со статьей. Пожалуйста, пройдите через них.

Дифференциальный усилитель на транзисторе

Дифференциальный усилитель предназначен для получения разницы между двумя входными сигналами. Схема показана ниже.

Схема дифференциального усилителя

Как показано на схеме выше, имеется два входа, I/P1 и I/P2, и два выхода V1OUT и V2OUT.I/P1 подается на базу транзистора TI, а IP2 подается на базу транзистора T2. Эмиттеры T1 и T2 подключены к общему эмиттерному резистору, так что на две выходные клеммы V1OUT и V2OUT воздействуют два входных сигнала I/P1 и I/P2. V CC и V EE — два напряжения питания для схемы. Схема также будет работать нормально, используя только один источник напряжения. Возможно, вы также заметили, что на схеме нет клеммы заземления.Следовательно, следует автоматически понимать, что противоположные точки как положительного, так и отрицательного напряжения питания считаются подключенными к земле.

Работа дифференциального усилителя

Когда на один из входов подается дифференциальный усилитель, выход появляется на обоих выходах коллектора. Это поясняется диаграммой ниже.

Дифференциальный усилитель работает

Когда входной сигнал I/P1 подается на транзистор T1, будет высокое падение напряжения на сопротивлении коллектора R COL1 , и, таким образом, коллектор T1 будет менее положительным.Когда I/P1 отрицательный, T1 выключается, и падение напряжения на R COL1 становится очень низким, и, таким образом, коллектор T1 будет более положительным. Таким образом, можно сделать вывод, что на коллекторе Т1 появляется вставленный выход для подачи сигнала на I/P1.

Когда T1 включается положительным значением I/P1, ток через сопротивление эмиттера R EM увеличивается, поскольку ток эмиттера почти равен току коллектора (I E I C ). Таким образом, падение напряжения на R EM увеличивается и заставляет эмиттер обоих транзисторов двигаться в положительном направлении.Сделать эмиттер T2 положительным — это то же самое, что сделать базу T2 отрицательной. В таком состоянии транзистор T2 будет проводить меньший ток, что, в свою очередь, приведет к меньшему падению напряжения на RCOL2, и, таким образом, коллектор T2 будет двигаться в положительном направлении для положительного входного сигнала. Таким образом, мы можем сделать вывод, что неинвертирующий выход появляется на коллекторе транзистора Т2 для входа на базе Т1.

Усиление может управляться дифференциально путем подачи выходного сигнала между коллекторами T1 и T2.

Как показано на рисунке выше, если предположить, что транзисторы T1 и T2 идентичны по всем характеристикам, и если напряжения равны (V BASE1 = V BASE2 ), то ток эмиттера может также считается равным

I EM1 = I EM2

Суммарный ток эмиттера, IE = IEM1 + IEM2

V EM = V BASE – V BASE EM

I EM = (V BASE – V BASE EM )/R EM 5 5

Ток эмиттера I EM остается практически постоянным независимо от значения hfe транзисторов.

Начиная с ICOL1  IEM1 и ICOL2  IEM2, ICOL1  ICOL2

также, V COL1 = V = V COL2 = V CC — I — I R R COL , Предполагающий устойчивость к коллекционеру R COL1 = R COL2 = R COL .

Дифференциальный усилитель представляет собой схему усилителя с обратной связью, которая усиливает разницу между двумя сигналами.Такая схема очень полезна в измерительных системах. Дифференциальные усилители имеют высокий коэффициент подавления синфазного сигнала (CMRR) и высокое входное сопротивление. Дифференциальные усилители могут быть изготовлены с использованием одного или двух операционных усилителей. Обе эти конфигурации объясняются здесь.

Дифференциальный усилитель на операционном усилителе

Принципиальная схема дифференциального усилителя с использованием одного операционного усилителя показана ниже. R1 и R2 — входные резисторы, Rf — резистор обратной связи, RL — нагрузочный резистор.

Дифференциальный усилитель на одном операционном усилителе

Вывод для коэффициента усиления по напряжению.

Уравнение для коэффициента усиления по напряжению дифференциального усилителя с использованием одного операционного усилителя можно вывести следующим образом. Схема представляет собой просто комбинацию инвертирующего и неинвертирующего усилителя. Нахождение выходных напряжений s этих двух конфигураций по отдельности, а затем их суммирование приведет к общему выходному напряжению.

Если Vb обнуляется, схема становится инвертирующим усилителем.Выходное напряжение Voa, обусловленное только Va, может быть выражено с помощью следующего уравнения.

Когда Va обнуляется, схема становится неинвертирующим усилителем. Пусть V1 будет напряжением на неинвертирующем входном контакте. Связь между Vb и V1 может быть выражена с помощью следующего уравнения.

Выходное напряжение Vob, обусловленное только Vb, соответствует уравнению

.

Пусть R1 = R2 и R3 = Rf, тогда

Тогда общее выходное напряжение равно

.

Таким образом, общий коэффициент усиления равен

.

Дифференциальный усилитель на двух операционных усилителях.

Принципиальная схема дифференциального усилителя с использованием двух операционных усилителей показана ниже. Основное преимущество дифференциального усилителя с двумя операционными усилителями заключается в том, что он имеет увеличенный общий коэффициент усиления. R1 — входной резистор для IC1, а R3 — входной резистор для IC2. Rf — резистор обратной связи. Va и Vb — это два входных напряжения, которые подаются на неинвертирующие входы IC2 и IC1 соответственно. RL — нагрузочный резистор. V+ и V- — положительное и отрицательное напряжения питания.

Дифференциальный усилитель на операционных усилителях

Получение коэффициента усиления по напряжению.

Уравнение для выходного напряжения V1 первого операционного усилителя (IC1) выглядит следующим образом.
V1 и Va являются входами второй ступени (IC2). Выходное напряжение только благодаря Va .

Выходное напряжение, обусловленное только Vb, равно

Общее выходное напряжение Vo = Voa + Vob

Пусть R1 = R2 и Rf = R1, тогда мы имеем

Следовательно, общий коэффициент усиления по напряжению Av можно выразить с помощью уравнения

Практичный дифференциальный усилитель.

Практический дифференциальный усилитель с операционным усилителем uA741 показан ниже.При использовании используемых компонентов усилитель имеет коэффициент усиления около 5. Помните уравнение Av = -Rf/R1. Здесь Rf = 10К и R1 =2,2К, -Rf/R1 = -10/2,2 = -4,54 = ~-5. Знак минус представляет инверсию фазы. Используйте двойной источник питания +/-12 В постоянного тока для питания схемы. uA 741 должен быть установлен на держателе.

Практическая схема дифференциального усилителя

Как получить передаточную функцию дифференциального усилителя — Освоение проектирования электроники

Передаточную функцию дифференциального усилителя, также известного как дифференциальный усилитель, можно найти в статьях, на веб-сайтах, в таблицах формул, но откуда она берется? Почему передаточная функция дифференциального усилителя соответствует следующему математическому соотношению?

(1)

, где резисторы показаны на рисунке 1.

Рисунок 1

Во-первых, важное замечание: эта формула применима только для идеального операционного усилителя. Это означает, что усилитель имеет большой коэффициент усиления, настолько большой, что его можно считать бесконечным, а входное смещение достаточно малое, чтобы его можно было считать нулевым. Также входные токи смещения достаточно малы, чтобы их можно было считать нулевыми. Однажды меня спросили: «А что достаточно мало?» Напряжение или ток в электронике считаются достаточно малыми, когда их численное значение составляет 1/100 или меньше по сравнению с преобладающими напряжениями или токами в цепи.Например, если уровни входного напряжения в схеме на рис. 1 составляют несколько вольт, а входное смещение операционного усилителя составляет милливольты или субмилливольты, то входным смещением можно пренебречь и считать его нулевым.

Нужно ли нам знать эту формулу наизусть? Конечно, нет. Все, что нам нужно знать, это как его получить. Это совсем не сложно.

Передаточная функция может быть получена с помощью теоремы о суперпозиции. Эта теорема гласит, что воздействие всех источников в линейной цепи есть алгебраическая сумма всех воздействий каждого источника, взятого в отдельности, в той же цепи.Другими словами (вернемся к рисунку 1), если мы удалим V1 и заменим его замыканием на землю и рассчитаем выходное напряжение, а затем проделаем то же самое с V2, выходное напряжение дифференциального усилителя будет суммой оба выходных напряжения, так как они были рассчитаны для каждого источника отдельно.

Давайте сначала удалим V1. R1 нельзя оставлять неподключенным, так как в исходной цепи через него протекал ток. Поэтому заземлим R1 (см. рис. 2).

Рисунок 2

Мы видим, что наш усилитель становится инвертором, у которого неинвертирующий вход соединен с землей через резисторы R1 и R2.Vout2 дается уравнением (2).

(2)

Прочитайте MasteringElectronicsDesign.com: Как получить передаточную функцию инвертирующего усилителя для доказательства этой функции.

Теперь удалим V2 и заземлим R3 (см. рис. 3).

Рисунок 3

Это неинвертирующий усилитель. Для идеального операционного усилителя Vout1 является функцией V, которое представляет собой напряжение относительно земли на неинвертирующем входе операционного усилителя.

Резисторы R1 и R2 являются аттенюатором для V1, так что V можно определить следующим образом.

(4)

Заменяя V в уравнении (3), Vout1 становится:

(5)

Теперь, когда у нас есть Vout1 и Vout2, и по теореме о суперпозиции Vout является алгебраической суммой Vout1 и Vout2,

(6)

— передаточная функция дифференциального усилителя.( QED )

Сверхгибкий органический дифференциальный усилитель для записи электрокардиограмм

  • Xu, S. et al. Мягкие микрожидкостные сборки датчиков, цепей и радио для кожи. Наука 344 , 70–74 (2014).

    Артикул Google ученый

  • Гао, В. и др. Полностью интегрированные массивы носимых датчиков для мультиплексного анализа пота на месте. Природа 529 , 509–514 (2016).

    Артикул Google ученый

  • Имани, С. и др. Носимая химико-электрофизиологическая гибридная биосенсорная система для мониторинга здоровья и физической формы в режиме реального времени. Нац. коммун. 7 , 11650 (2016).

    Артикул Google ученый

  • Джанг, К.-И. и другие. Самособирающиеся трехмерные сетевые конструкции для мягкой электроники. Нац.коммун. 8 , 15894 (2017).

    Артикул Google ученый

  • Ходаголы Д. и др. Запись активности мозга in vivo с использованием органических транзисторов. Нац. коммун. 4 , 1575 (2013).

    Артикул Google ученый

  • Кан, С. К. и др. Биорезорбируемые кремниевые электронные сенсоры для головного мозга. Природа 530 , 71–76 (2016).

    Артикул Google ученый

  • Лу, Л. и др. Беспроводные оптоэлектронные фотометры для мониторинга динамики нейронов в глубоком мозгу. Проц. Натл акад. науч. США 115 , E1374–E1383 (2018).

    Артикул Google ученый

  • Kim, J. et al. Эластичная электроника на основе кремниевых нанолент для кожных протезов. Нац. коммун. 5 , 5747 (2014).

    Артикул Google ученый

  • Лим, С. и др. Прозрачный и растягиваемый интерактивный человеко-машинный интерфейс на основе структурированных графеновых гетероструктур. Доп. Функц. Матер. 25 , 375–383 (2015).

    Артикул Google ученый

  • Yeo, W.H. et al. Многофункциональная эпидермальная электроника, напечатанная непосредственно на коже. Доп.Матер. 25 , 2773–2778 (2013).

    Артикул Google ученый

  • Wang, X., Gu, Y., Xiong, Z., Cui, Z. & Zhang, T. Гибкая, сверхчувствительная и высокостабильная электронная кожа из шелка для мониторинга физиологических сигналов человека. Доп. Матер. 26 , 1336–1342 (2013).

    Артикул Google ученый

  • Миямото, А.и другие. Невоспламеняющаяся, газопроницаемая, легкая, растягивающаяся на коже электроника с наносетками. Нац. нанотехнологии. 12 , 907–913 (2017).

    Артикул Google ученый

  • Ку, Дж. Х. и др. Носимый монитор электрокардиограммы, использующий электронику из углеродных нанотрубок и органические светодиоды с возможностью настройки цвета. ACS Nano 11 , 10032–10041 (2017).

    Артикул Google ученый

  • Маннсфельд, С.C.B. и соавт. Высокочувствительные гибкие датчики давления с микроструктурированными резиновыми диэлектрическими слоями. Нац. Матер. 9 , 859–864 (2010).

    Артикул Google ученый

  • Lipomi, D. J. et al. Кожноподобные датчики давления и деформации на основе прозрачных эластичных пленок углеродных нанотрубок. Нац. нанотехнологии. 6 , 788–792 (2011).

    Артикул Google ученый

  • Панг, К.и другие. Гибкий и высокочувствительный тензометрический датчик, использующий обратимую блокировку нановолокон. Нац. Матер. 11 , 795–801 (2012).

    Артикул Google ученый

  • Schwartz, G. et al. Гибкие полимерные транзисторы с высокой чувствительностью к давлению для применения в электронном мониторинге кожи и здоровья. Нац. коммун. 4 , 1859 (2013).

    Артикул Google ученый

  • Гонг С.и другие. Носимый и высокочувствительный датчик давления с ультратонкими золотыми нанопроволоками. Нац. коммун. 5 , 3132 (2014).

    Артикул Google ученый

  • Hua, Q. et al. Вдохновленные кожей эластичные и гибкие матричные сети для многофункционального восприятия. Нац. коммун. 9 , 244 (2018).

    Артикул Google ученый

  • Лохнер, К.М., Хан Ю., Пьер А. и Ариас А.С. Полностью органический оптоэлектронный датчик для пульсоксиметрии. Нац. коммун. 5 , 5745 (2014).

    Артикул Google ученый

  • Yokota, T. et al. Ультрагибкая органическая фотонная кожа. Науч. Доп. 2 , e1501856 (2016).

    Артикул Google ученый

  • Bandodkar, A.J. et al.Потенциометрические ионоселективные датчики на основе татуировки для мониторинга рН эпидермиса. Аналитик 138 , 123–128 (2013).

    Артикул Google ученый

  • Язиджиоглу Р. Ф., Меркен П., Пуэрс Р. и Хоф Ч. V. Внешний интерфейс считывания 60 мкВт 60 нВ/√Гц для портативной системы сбора данных о биопотенциале. IEEE J. Твердотельные схемы 42 , 1100–1110 (2007).

    Артикул Google ученый

  • Языджиоглу Р.Ф. и др. Аналоговый процессор сигналов ASIC мощностью 30 мкВт для портативного мониторинга сигналов биопотенциалов. IEEE J. Твердотельные схемы 46 , 209–223 (2011).

    Артикул Google ученый

  • Клаук, Х., Зшишанг, У., Пфлаум, Дж. и Халик, М. Органические дополнительные схемы сверхмалой мощности. Природа 445 , 745–748 (2007).

    Артикул Google ученый

  • Гелинк, Г., Хереманс П., Номото К. и Антопулос Т. Д. Органические транзисторы в оптических дисплеях и приложениях микроэлектроники. Доп. Матер. 22 , 3778–3798 (2010).

    Артикул Google ученый

  • Кальтенбруннер, М. и др. Сверхлегкая конструкция для незаметной пластиковой электроники. Природа 499 , 458–463 (2013).

    Артикул Google ученый

  • Сиррингхаус, Х.Органические полевые транзисторы — выход за пределы аморфного кремния. Доп. Матер. 26 , 1319–1335 (2014).

    Артикул Google ученый

  • Ван, С. и др. Электроника кожи из масштабируемого изготовления массива транзисторов с возможностью растяжения. Природа 555 , 83–88 (2018).

    Артикул Google ученый

  • Фукуда, К.и другие. Полностью напечатанные высокопроизводительные органические тонкопленочные транзисторы и схемы на полимерных пленках толщиной в один микрон. Нац. коммун. 5 , 4147 (2014).

    Артикул Google ученый

  • Секитани, Т. и др. Сверхгибкий органический усилитель с биосовместимыми гелевыми электродами. Нац. коммун. 7 , 11425 (2016).

    Артикул Google ученый

  • Герен, М.и другие. Полностью печатные органические дополнительные схемы с высоким коэффициентом усиления на гибкой пластиковой фольге. IEEE Trans. Электронные устройства 58 , 3587–3593 (2011).

    Артикул Google ученый

  • Marien, H., Steyaert, M., Veenendaal, V. E. & Heremans, P. Аналоговые методы для надежной разработки органических схем на фольге, примененные к однокаскадному дифференциальному усилителю 18 дБ. Орг. Электрон. 11 , 1357–1362 (2010).

    Артикул Google ученый

  • Marien, H., Steyaert, M.S.J., Veenendaal, V.E. & Heremans, P. Полностью интегрированный ΔΣ АЦП в технологии органических тонкопленочных транзисторов на гибкой пластиковой фольге. IEEE J. Твердотельные схемы 46 , 276–284 (2011).

    Артикул Google ученый

  • Maiellaro, G. et al. Операционные усилители крутизны с высоким коэффициентом усиления в печатной комплементарной органической технологии TFT на гибкой фольге. IEEE Trans. Цепи Сист. 60 , 3117–3125 (2013).

    Артикул Google ученый

  • Chang, J., Zhang, X., Ge, T. & Zhou, J. Полностью напечатанная электроника на гибкой подложке: усилители с высоким коэффициентом усиления и ЦАП. Орг. Электрон. 15 , 701–710 (2014).

    Артикул Google ученый

  • Пекуния, В. и др. Лечение ловушек для высокопроизводительных низковольтных полимерных транзисторов и аналоговых усилителей на основе растворов на фольге. Доп. Матер. 29 , 1606938 (2017).

    Артикул Google ученый

  • Фукета Х. и др. Сверхгибкий лист для измерения поверхностной электромиограммы толщиной 1 мкм с высокой плотностью электродов и органическими транзисторами 2  В для управления протезом руки. IEEE Trans. Биомед. Цепи Сист. 8 , 824–833 (2014).

    Артикул Google ученый

  • Кондо, М.и другие. Сверхгибкий и ультратонкий полимерный изолятор затвора для 2-вольтовых схем на органических транзисторах. Заяв. физ. Экспресс 9 , 061602 (2016).

    Артикул Google ученый

  • Дифференциальный усилитель | Аналоговый CMOS-дизайн || Учебник по электронике


    Home > аналоговый КМОП дизайн > дифференциальный усилитель КМОП > дифференциальный усилитель

    Важное преимущество дифференциального режима перед несимметричным. эксплуатации выше невосприимчивость к шуму.Простой дифференциальный усилитель как показано на рисунке ниже.

    Другим преимуществом дифференциального усилителя является увеличение напряжения качели. Размах дифференциального усилителя с размахом равен 2 [V DD — (V GS — V TH )].

    В схеме на рисунке выше, если V in1 и V in2 имеют большие синфазные помехи или неравный синфазный уровень постоянного тока, то выходной отклик имеет искажения.Так как V в, см изменений, смещения токи М 1 и М 2 также меняются. Таким образом крутизна обоих устройств и выходной синфазный уровень постоянного тока изменения. Изменение крутизны по виткам приводит к изменению маленькое усиление сигнала усилителя.

    Чтобы решить проблему синфазного уровня постоянного тока, схема, показанная на рис. вышеприведенный рисунок изменен за счет использования источника тока I SS для марка (I D1 + I D2) независимая от V в, см .

    Модифицированная схема, включающая источник тока I SS , выглядит следующим образом: показано на рисунке ниже.

    Таким образом, если V in1 = V in2 , ток смещения каждого транзистор равен, а уровень синфазного сигнала на выходе равен V DD — .

    Дифференциальная пара характеристик вход-выход показана на рис. ниже.

    Для того, чтобы получить коэффициент усиления по напряжению дифференциального усилителя. Разрешите нам рассмотрим схему базового дифференциального усилителя

    Из рисунка видно, что

    V GS1 = V in1 — V P и V GS2 = V in2 — V P

    \ V дюймов1 — V GS1 = V дюймов2 — V GS2

    я.е. V in1 — V in2 = V GS1 — V GS2

    Теперь, согласно уравнению тока насыщения MOSFET.

    (V GS — V TH ) 2 =

    \ В ГС = + В ТН

    \ В ГС1 = + В ТН

    и V GS2 = + V TH

    Предполагая равные размеры двух транзисторов, получаем,

    В ГС1 — В ГС2 = —

    \ В дюймов1 — В дюймов2 = —

    Возьмите квадрат с обеих сторон.

    (V in1 — V in2 ) 2 = — +

    (V in1 — V in2 ) 2 = (I SS — 2) [I D1 + I D2 = I SS ]

    то есть

    m n C ox (V in1 — V in2 ) 2 — I SS = — 2

    Квадрат с обеих сторон,

    (V IN1 — V IN1 ) 4 — I SS M N C OX (V IN1 — V in2 ) 2 + I SS 2 = 4 I D1 × I D2

    Но,

    4 i D1 ã- I D2 = (I D1 + I D2 ) 2 — (I D1 — I D2 ) 2

    = I SS 2 — (I D1 — I D2 ) 2

    Используя это в уравнении,

    Получаем, (I D1 — I D2 ) 2 = — (V in1 — V in2 ) 4 + I SS m n C ox (V in1 — V in2 ) 2

    3

    \ I D1 — I D2 = m n C ox (V in1 — V in2 )

    Таким образом, если V in1 = V in2 , то I D1 — I D2 падает до нуля и увеличивается от нуля, если | V дюймов1 — V in2 | увеличивается.

    Если I D1 — I D2 = D I D и V in1 — V in2 = D V in

    \ = m n C бык

    Для D V в = 0, Общая крутизна

    Г м =

    Отсюда V вых1 — V вых2 = R D (I D1 — Я Д2 )

    = R D × G м D V в

    \ = × R D

    \ | А и | = × R D

    Для полностью симметричной дифференциальной пары, воспринимающей входы равными и противоположных величин, то можно применить концепцию полуконтура, чтобы найти коэффициент усиления дифференциального усилителя.

    Для схемы, показанной на рисунке ниже, используя понятие половины схема, усиление малого сигнала определяется как,

    V out1 = — g m (R D || ro) V in1

    V out2 = — g m (R D || ro) (- V in1 )

    V out1 — V out2 = — g m (R D || ro) V дюйм1 — g m (R D || ro) V дюйм1

    я.е. = — г м (R D || ро)

    \ A n = — g m (R D || ro)

    Кроме того, если V in2 ¹ — V in1 , то используется полуконтур концепции,

    V out1 = — g m (R D || ro) V in1 , V out2 = — g m (R D || ro) V 0 in 2 0

    V out1 — V out2 = — g m (R D || ro) (V in1 — V in2 )

    \ = — г м (R D || ро)

    \ A n = — g m (R D || ro)

    Дифференциальная пара с нагрузками источника тока:

    Для увеличения коэффициента усиления усилителя сопротивление нагрузки можно увеличить. заменяется текущей нагрузкой источника, как показано на рисунке ниже.

    Используя концепцию полуконтура, коэффициент усиления можно определить как:

    A n = — g m1, 2 (ro 1, 2 || ro 3, 4 )

    .

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован.