Onderwerpen:
- Algemeen
- Kroon- pignonwiel
- Werking van het differentieel
- Nadelen van een differentieel
- Afstellen van het kroon- pignonwiel
- LSD (Limited Sper Differential)
- Torsen-differentieel
- Onderhoud en defecten aan een differentieel
- Lagervoorspanning van het differentieel afstellen
Algemeen:
Het differentieel, ook wel het cardan genoemd, maakt een snelheidsverschil in de aandrijving mogelijk. Op deze pagina wordt alleen de term differentieel gebruikt.
Bij het nemen van bochten, maakt het ene wiel meer omwentelingen dan het andere wiel. Wanneer een auto een bocht naar links maakt (zoals in de onderstaande afbeelding), zullen de rechter wielen dus meer omwentelingen maken dan de linker wielen (r1 > r2). Er ontstaat dus een snelheidsverschil. Een differentieel zorgt er voor dat dit mogelijk is.
Bij voorwiel aangedreven auto’s zit het differentieel in de versnellingsbak. Bij achterwiel aangedreven auto’s zit deze bij de achteras, tussen de achterwielen in. Er loopt dan een cardanas vanaf de versnellingsbak naar achteren, naar het differentieel.
De onderstaande afbeelding is van een achterwiel aangedreven auto. De as tussen de versnellingsbak en het differentieel (cardan), wordt de cardanas of tussenas genoemd. Deze wordt apart beschreven op de pagina cardanas. Aan het differentieel zitten twee aandrijfassen gemonteerd die de achterwielen aandrijven.
Kroon- pignonwiel:
Het kroon- pignonwiel in het differentieel worden apart genoemd, omdat deze delen zeer nauwkeurig moeten worden afgesteld na werkzaamheden. Het pignonwiel zit aan de cardanas. De motor en de versnellingsbak zorgen voor de aandrijving van de cardanas en het pignonwiel drijft het kroonwiel aan. De afstelling tussen het kroon- pignonwiel is een zeer specialistische werkzaamheid. Met behulp van de fabrieksgegevens en meet- / afstelapparatuur moeten de tandwielen op elkaar afgesteld worden. Een goede afstelling zorgt voor de minste geluidsontwikkelingen en de langste levensduur.
Werking van het differentieel:
Het kroonwiel 1 wordt aangedreven door het pignonwiel vanaf motor/versnellingsbak. Bij rechtuit rijden zullen de aandrijfassen 2 en 3 met gelijke snelheid draaien en zal satellietwiel 4 niet om zijn as draaien.
In de situatie van deze afbeelding staat de linker aandrijfas stil. Dit kan komen door dat het linker wiel op het asfalt en het rechter wiel op een onverharde weg staat. Het wiel op de onverharde weg zal in dit geval aan het doorslippen zijn.
Het satellietwiel draait nu om zijn as en de volledige aandrijfkracht komt op de rechter aandrijfas te staan. De linker staat nu stil. Een soortgelijke situatie ontstaat er ook als er door een bocht gereden wordt, de bandenspanning aan 1 kant lager staat, de bandenprofielen onderling erg verschillen en als het wegdek niet volledig vlak is.
Nadelen van een differentieel:
Dat het differentieel verschillen in toerentallen tussen de wielen mogelijk maakt, is onder bepaalde omstandigheden ook een groot nadeel. Wanneer 1 van de aangedreven wielen grip verliest, valt de totale aandrijving weg. Wanneer een auto met 1 wiel op het asfalt en met 1 wiel in modder staat, zal het wiel dat in de modder staat 100% aangedreven worden en het wiel op het asfalt (met de meeste grip) zal stil blijven staan. Dat komt doordat het satellietwiel hard gaat draaien en het wiel met de minste weerstand het meeste aan zal drijven.
Afstellen van kroon- pignonwiel:
De hoogte en de afstand van de raakvlakken van het kroon- en pignonwiel kunnen worden afgesteld. De afbeeldingen tonen de gevolgen van een verkeerde afstelling.
Door het kroonwiel een kwart omwenteling met speciaal vet (wat in olie oplost) in te smeren, kan het draagvlak tussen kroon- en pignonwiel bepaald worden. Door het pignonwiel een aantal omwentelingen heen en terug te draaien, wordt het draagvlak duidelijk (zie afbeeldingen). Door een aantal keer te verstellen en te draaien kan het geheel op het ideale draagvlak afgesteld worden.
Er moet rekening worden gehouden met feit dat de belasting op de aandrijving ook zorgt voor verschuiving van het draagvlak. Als de belasting toeneemt, beweegt het draagvlak meer naar de buitenzijde van het kroonwiel (bovenstaande rechter afbeelding). Bij lichte belasting beweegt het draagvlak meer naar binnen. Met het afstellen moet het draagvlak in het midden komen te liggen. Raadpleeg voor de maten altijd de fabrieksgegevens.
Een onjuiste afstelling zorgt voor (soms extreem) veel geluid in de aandrijving, denk aan een fluitend, gierend geluid. Ook de slijtage zal toenemen. Zo kan het differentieel al na een paar duizend kilometer defect raken na het onzorgvuldig (of het niet) afstellen. Daar is natuurlijk wel een hard geluid aan vooraf gegaan.
LSD (Limited Slip Differential)
Om de bovenstaande situatie te voorkomen is het handig om de werking van het differentieel in sommige gevallen (gedeeltelijk) uit te schakelen. Dat wordt sperren genoemd. Wanneer een differentieel gesperd wordt, is de aandrijving op beide assen gelijk. Het satellietwiel wordt stilgezet, of beide zonnewielen worden aan elkaar gekoppeld. Er zijn diverse ontwikkelingen met lamellenkoppelingen, viscokoppelingen en klauwkoppelingen.
In de onderstaande afbeelding is een LSD (Limited Slip Differential) te zien. Dit is een differentieel met een verhoogde inwendige wrijving. Tussen de buitenste rechte vlakken van de kegelvormige zonnewielen van de steekassen en het differentieelhuis lamellenkoppelingen geplaatst.
De drukringen in het LSD zijn enerzijds verbonden met het differentieelhuis, anderzijds axiaal verschuifbaar. De drukringen zijn aan de binnenzijde wigvormig vanwege de gebolde vorm van de satellietwielen. De binnenlamellen (donkergekleurd in de bovenstaande afbeelding) grijpen met de inwendige vertanding in de vertanding van de steekassen. De uitwendige vertanding van de buitenlamellen grijpen in de langsgroeven van het differentieelhuis. De buitenlamellen kunnen daardoor niet verdraaien.
Bij rechtuit rijden roteren het kroonwiel en de aandrijfas even snel en er is er dus geen sprake van wrijving. Wanneer één van de wielen te weinig grip heeft en daardoor sneller draait dan het andere wiel, ontstaat er een snelheidsverschil tussen de conische vlakken van de drukring. De drukring wordt tegen de lamellen gedrukt worden en ontstaat er een belastingsafhankelijk wrijvingsmoment tussen de buitenlamellen (welke geblokkeerd zijn door het differentieelhuis) en de snel draaiende binnenlamellen die aan de aandrijfas verbonden zijn.
De modernere elektronisch geregelde systemen zijn doorontwikkeld op de zelfsperrende systemen. De eerder beschreven, in de zelfsperrende systemen aanwezige drukringen, zijn dan vervangen door hydraulisch werkende ringcilinders. Met behulp van elektronica worden de lamellenkoppelingen bediend.
Torsen-differentieel
Het Torsen-differentieel (’torsen’ is een verkorting van ’torque sensing’, vrij vertaald: ‘koppelgevoel’) is in principe een symmetrisch differentieel. Wanneer beide uitgaande assen met dezelfde rotatiefrequentie roteren, dan zijn de aandrijfkoppels in deze assen gelijk. Ontstaat er om welke reden dan ook differentieelwerking, dan neemt het aandrijfkoppel naar de sneller roterende uitgaande as af en naar de langzamer roterende as toe. Ook hier ontstaat in principe een inwendig wrijvingsmoment dat enerzijds het uitgaande koppel vermindert en anderzijds het uitgaande koppel vermeerdert. De werking berust op het zelfremmende gedrag van de wormwormwieloverbrenging die ontstaat door de keuze van de juiste spoedhoek van deze tandwielen.
Het asdifferentieel van de onderstaande afbeelding is met bouten aan het kroonwiel bevestigd. In het differentieelhuis zijn de wormwielassen aangebracht. De wormwielen, die twee aan twee met elkaar zijn verbonden door cilindrische tandwielen, kunnen vrij om hun assen roteren.
Er zijn drie sets van elk twee wormwielen ingebouwd. Eén wormwiel van iedere set grijpt in de worm die met spiebanen op de wielaandrijfas naar het rechterwiel is aangebracht; het andere wormwiel grijpt in de worm op de wielaandrijfas naar het linkerwiel.
Tijdens rechtuitrijden (vooruit of achteruit), als er geen differentieelwerking is, roteren beide assen even snel. Het differentieelhuis neemt de wormwielen mee die op hun beurt de wormen met de wielaandrijfassen aandrijven. De beide wormwielen willen door hun spoedrichting in dezelfde richting draaien, hetgeen door de koppeling met cilindrische tandwieltjes niet mogelijk is. Het differentieel draait nu dus als één blok rond en zorgt voor een symmetrische koppelverdeling (50 % – 50 %).
Wanneer er een differentieelwerking ontstaat, bijvoorbeeld tijdens het rijden door een bocht, of als één wiel doorslipt, dan zal de ene worm sneller en de andere worm langzamer draaien dan het differentieelhuis. Naar het langzamer roterende wiel wordt nu een groter koppel toegevoerd dan naar het sneller roterende wiel. De sneller draaiende worm drijft het desbetreffende wormwiel aan en daarmee het wormwiel dat de worm naar het langzamer draaiende wiel aandrijft. Naar het langzamer draaiende wiel wordt het koppel extra verhoogd door de gedeeltelijk zelfremmende werking bij de aandrijving door het wormwiel in de richting van de worm. Door het kiezen van de juiste spoedhoek op de worm kan de gewenste koppelverdeling, hier dus de sperwaarde, worden verkregen.
Het Torsen-differentieel heeft geen invloed op een eventuele ABS-functie, daar de sperwerking alleen onder belasting optreedt, dus als er gas wordt gegeven.
Vooral in de racerij, met driften, wordt het differentieel gesperd. Wanneer dit bij bepaalde auto’s technisch niet mogelijk is, wordt het satellietwiel vast gelast aan de zonnewielen. Op deze goedkope manier is het differentieel altijd gesperd. Het nadeel is, dat er op de openbare weg nauwelijks meer mee gereden kan worden, omdat het wiel dat de minste toerentallen in bochten maakt, zal gaan slippen. Ook is de kans op defecten aan de aandrijfassen en homokineten groter.
Een andere manier is het ESP (Elektronische Stabiliteits Programma) te laten ingrijpen. Dit systeem remt het slippende wiel af door even de remklauw te laten aangrijpen. Door het slippende wiel af te remmen, zal door de werking van het differentieel automatisch meer kracht naar het andere wiel overgebracht worden. Op deze manier is dat nadeel ook opgeheven. Dit wordt soms ook wel eens een elektronisch sperdifferentieel werking genoemd.
Onderhoud en defecten aan een differentieel:
In een differentieel zit tegenwoordig vaak “lifetime oil”. De fabrikant geeft daar mee aan dat de olie niet periodiek ververst hoeft te worden. Sommige fabrikanten geven wel een verversingsinterval aan in een bepaald aantal kilometers. Dit termijn mag niet overschreden worden. Ook bij de differentieels met lifetime oil is het goed om af en toe de olie te verversen. Elke olie komt in contact met zuurstof en gaat daar een oxidatieproces mee aan. De smerende werking wordt minder. Daarom is het goed om bij een bepaalde kilometerstand (bijv. bij 150.000km) deze olie te verversen.
Defecte differentieels, waarbij de lagers defect zijn, of de ruimte op het kroon-pignonwiel niet in orde is, gaan veel lawaai maken in de aandrijving. Meestal kunnen de differentieels gereviseerd worden. Bij de revisie worden o.a. de tandvlakken van het kroon- en pignonwiel opgemeten en de lagers vervangen. Als de tandvlakken te ver versleten zijn, zullen de delen vervangen moeten worden. Het vervangen van het kroonwiel is vaak erg kostbaar.
Lagervoorspanning van het differentieel afstellen:
De lagers in het differentieel moeten onder een bepaalde voorspanning gemonteerd zitten. Deze waarde is door de fabrikant van het differentieel bepaald. Bij zowel een te lage als een te hoge voorspanning kan het lager na verloop van tijd defect raken. Denk daarbij aan een te hoge axiale belasting, waarbij het lager te warm kan worden. Bij het reviseren van het differentieel of het vervangen van de lagers moet dus altijd de voorspanning gecontroleerd en indien nodig afgesteld worden. Door middel van het uitvoeren van metingen kan worden bepaald welke dikte de vulring (tussen het lager en de keerringhouder) moet worden.
Hieronder worden voorbeelden gegeven over de metingen die verricht moeten worden.
Met een dieptemeter dient de afstand gemeten te worden tussen de buitenzijde van het versnellingsbakhuis en het lager. De waarde die in de foto wordt gemeten bedraagt 12 mm.
Met deze dieptemeter kan ook de hoogte van de borst van de keerringhouder gemeten worden. De waarde die in de foto gemeten wordt is 10,0mm.
Bij montage wordt de borst van de keerringhouder in het differentieelhuis gemonteerd. Door de twee zojuist gemeten waardes van elkaar af te trekken, wordt de afstand tussen het differentieellager en de borst van de keerringhouder bepaald: Diepte – hoogte = 12,0 0mm – 10,00 mm = 2 mm.
Wanneer er een vulring van 2 mm wordt geplaatst tussen het differentieellager en de keerringhouder, dan zou het lager spanningsvrij gemonteerd worden.
Dat is natuurlijk niet de bedoeling; er zal een dikkere vulring geplaatst moeten worden om het lager onder spanning te monteren. De voorspanning wordt door de fabrikant voorgeschreven. Dit kan bijvoorbeeld 0,25 mm zijn.
De vulring die in dit geval geplaatst moet worden is de gemeten afstand + de voorspanning, dus; 2 mm + 0,25 mm = 2,25 mm. Wanneer de vulring met een dikte van 2,25 mm geplaatst wordt, is de voorspanning correct ingesteld. De geschikte vulring moet opgezocht worden in een bak met verschillende maten vulringen. Met een schroefmaat kan de juiste vulring opgezocht worden.
In de onderstaande afbeelding is te zien dat de vulring een dikte heeft van 2,25 mm. Dit is dus de juiste vulring. Meer informatie over het meten met de schroefmaat is te vinden op de pagina “Mechanisch meetgereedschap“.
De metingen van de diepte van het lager en de hoogte van de borst van de keerringhouder zijn in de bovenstaande afbeeldingen uitgevoerd met een dieptemeter. Deze metingen kunnen echter ook uitgevoerd worden met een meetklok. Uitleg over het meten met de meetklok wordt eveneens gegeven op de pagina “Mechanisch meetgereedschap“.
De meetwaarden in de onderstaande afbeeldingen komen niet overeen met de bovenstaande metingen. Ook zijn de foto’s erg wazig. Deze worden binnenkort vervangen door nieuwe afbeeldingen waarbij de metingen correct weergeven worden.
De waardes van de meetklok en van de dieptemeter dienen overeen te komen. Het maakt dus in principe niet uit met welk gereedschap de meting uitgevoerd wordt, mits beide meetgereedschappen beschikbaar zijn. Op bijvoorbeeld een praktijkexamen kan het best zo zijn dat er maar één type meetgereedschap ter beschikking gesteld wordt. Het is daarom belangrijk om met alle meetgereedschappen overweg te kunnen; de schuifmaat, de micrometer en de meetklok.
