Jak pracuje DCCD (Driver Controlled Central Differential)

Tento dokument má za úkol objasnit jak pracuje řidičem ovládaný centrální diferenciál (DCCD) ve vozech Subaru Impreza WRX STi. Je rozdělen na tři části. Část 1. obsahuje teoretický pohled na DCCD jako na jednoduchý diferenciál s planetovým převodem s jednokotoučovou spojkou, dále pak vysvětluje, jak se kroutící moment dostane od motoru k předním a zadním kolům. Část 2. obsahuje popis současné funkcionality DCCD čerpající z originálních Subaru dokumentů popisujících technické detaily DCCD. Část 3. popisuje, jak DCCD pracuje v automatickém módu a kdy je vhodné jej přepnout do manuálního režimu.
DCCD je komplikovaný mechanismus a je jen jednou ze všech částí celého pohonu všech kol (AWD). Tento text se snaží zjednodušit mechaniku pohonu automobilů pro snazší pochopení aniž by vynechal důležité procesní informace.
Informace v tomto textu pocházejí z několika zdrojů jako jsou materiály vydané společností Subaru a WEB presentace. Důležitým zdrojem informací byla WEB stránka na adrese howstuffworks.com. Některé informace jsou převzaty z těchto zdrojů v plném znění, bez řádného povolení, za což se předem omlouváme.



Část 1.

Před zahájením diskuzí o DCCD je třeba objasnit co je to kroutící moment, protože se s tímto termínem budeme setkávat v celém dokumentu. O kroutícím momentu se vede řada diskusí, na něm je postaven i celý návrh konstrukce DCCD. Na stránkách howstuffworks.com je uvedena následující definice.

Kroutící moment je síla, která zapříčiňuje rotaci, nebo otáčení věcí. Je generován kdykoliv, když například používáme klíč na utahování. Utahování matic na Vašich kolech je dobrým příkladem. Kdykoliv použijete klíč, působíte silou na jeho rukojeť. Tato síla generuje kroutící moment působící na matici, který zapříčiňuje její otáčení. Jednotkou pro určování kroutícího momentu je nm (newtommeter). Jak můžete vidět, nm obsahuje jednotku síly (newton) a jednotku vzdálenosti (meter), které určují co vlastně kroutící moment je: síla působící ve vzdálenosti (páka) použitá k otáčení, nebo kroucení něčeho. Motor v automobilu generuje tuto točivou sílu a převodové ústrojí, obsahující převodovku, centrální, přední a zadní diferenciál a poloosy, ji přenáší, násobí a rozděluje na kola. Auto prostřednictvím pneumatik působí na vozovku, vozovka působí proti a tím se auto pohybuje.

DCCD je jen speciální typ diferenciálu s omezenou svorností (LSD). Pro pochopení, jak to funguje, potřebujeme nejdříve vědět jak pracuje standardní typ diferenciálu, a pak jak pracuje typ s omezenou svorností (LSD). Nakonec si vysvětlíme speciální vlastnosti DCCD, jako je například, že množství svornosti může být dynamicky měněno palubním počítačem, nebo manuálně řidičem přímo z kabiny.



Klasický diferenciál (The Open Differential)

Diferenciál je zařízení, které rozděluje kroutící moment motoru dvěma směry a umožňuje oběma stranám otáčet se rozdílnými rychlostmi. Diferenciál má hlavní podíl v tom, jak je kroutící moment z motoru rozdělen mezi výstupní hřídele v přesně v daném poměru nezávisle na rychlosti otáčení těchto hřídelí. U klasických diferenciálech, jaké můžeme najít na přední, nebo v zadní nápravě automobilů, je kroutící moment rozdělen v poměru 50:50. DCCD je centrální diferenciál, většinou zkonstruovaný jako tzv. planetový. Díky této konstrukci je jednoduché zvolit v jakém poměru bude kroutící moment rozdělen změnou velikosti převodového ústrojí uvnitř. V STi technici Subaru zvolili převodový poměr uvnitř DCCD 35:65 ve prospěch zadní nápravy (u modelu 2006 je poměr změněn na 41:59 pozn. překladatele). Model WRX a Mitsubishi EVO používají poměr 50:50?, BMW rady 3 u modelu AWD a Porsche Cayenne používají poměr 38:62 ve prospěch zadní nápravy.

Termín klasický, nebo otevřený diferenciál (Open Differential) je použit u takových konstrukcí, kde není část starající se o nastavení míry svornosti instalována vůbec, nebo je tato část deaktivována. Obrázek 1. ukazuje právě tento případ (Je těžké graficky znázornit tento stav, tak jsme jej zobrazili jako prázdný prostor mezi oběma hřídely).





Obrázek 1.



Výhoda klasického diferenciálu (Open differential benefit)

Výhodou této konstrukce je, že napomáhá vozidlu při průjezdu zatáčkou. Při jízdě do zatáčky musí být zajištěna možnost otáčení se hnacích hřídelů rozdílnými rychlostmi, protože rádius zatáčky zapříčiňuje, že zadní kola opisují menší poloměr než kola přední a tak otáčení zadní nápravy je pomalejší než nápravy přední. Centrální diferenciál umožňuje, aby se toto dělo a při tom stále zachovává stejné rozdělení kroutícího momentu mezi přední a zadní nápravu.



Nevýhoda klasického diferenciálu (Open differential drawback)

Pro správné pochopení jaké jsou limity klasického diferenciálu, je zapotřebí pochopit základy problematiky trakce. Třetí zákon Isaaca Newtona říká: „Pro každou akci existuje stejná a opačná reakce “. Toto můžeme parafrázovat například takto: „Nemůžeme tlačit proti něčemu co nebude tlačit proti“. Tento koncept začne být důležitý v okamžiku, kdy budeme mluvit o trakci. Opět použijeme definici z howstuffworks.com:

Jsou dva faktory, které určují kolik kroutícího momentu bude aplikováno na kola: konstrukce převodového ústrojí a trakce. Za sucha, kdy je dostatek trakce, je množství kroutícího momentu aplikovaného na kola limitováno jen výkonem motoru a převodovým stupněm. V situacích s malou trakcí, jako je třeba jízda na ledu, je množství kroutícího momentu přeneseného na vozovku limitováno maximálním množstvím , které nezapříčiní protáčení kol v těchto podmínkách. I přesto, že vozidlo může vyvinout větší množství kroutícího momentu, je zapotřebí dostatečné trakce k jeho přenesení na vozovku. Jestliže přidáte ještě více plynu po té co se kola začnou protáčet, kola se budou jen otáčet rychleji. Takto se předá jen velmi malé množství kroutícího momentu na vozovku a motor produkuje jen nepatrně větší kroutící moment před tím, než dosáhne „červeného pole“. Není možné tlačit proti něčemu, co nebude tlačit proti. Například se všemi čtyřmi koly na ledu, množství kroutícího momentu vyvinutého motorem a přeneseného na vozovku je velmi omezené. Toto se děje protože jediné co v tomto případě tlačí zpět je jen trakce daná setrvačností a třením hnacího ústrojí, obojím zanedbatelným.

Nyní co se stane, když budou jen přední kola Vašeho STi na ledu? Zde je právě problém klasického diferenciálu. Diferenciál musí zachovat poměr 35:65. Je pochopitelné, že přední kola mohou akceptovat jen velmi malé množství kroutícího momentu před tím, než ztratí trakci a začnou se protáčet. To znamená, že kroutící moment produkovaný motorem je také limitován. Maximální kroutící moment produkovaný motorem je 2,8 násobek množství kroutícího momentu který jde na přední kola (1/0,35). Jestliže je množství kroutícího momentu přenositelného předními koly velmi malé, tak použitelné maximum dodané motorem je 2,8 krát velmi malé číslo, což je stále velmi málo. 65% tohoto celkového kroutícího momentu je přenášeno na zadní kola, což ovšem není dostatek pro to, aby se auto pohnulo (u modelu 2006 je tento násobek 1/0,41 = 2,4, což je ještě méně, pozn. překladatele).



Aplikace konkrétních čísel jako příklad:

Klasický diferenciál, přední kola na ledě: Množství kroutícího momentu na přední nápravě již zapříčiňující protáčení kol je 10nm. Maximální kroutící moment produkovaný motorem je 10*2,8 = 28nm. Pro pohon zadní nápravy zbývá 18nm. To ovšem není dostatek pro to, aby se otočila zadní kola a pohnula vozem. Motor se sice snaží otočit zadními koly, ale ta se i přesto neotáčí. Pamatujte, ze klasický diferenciál umožňuje otáčení náprav rozdílnými rychlostmi při zachování poměru rozdělení kroutícího momentu. V tomto případě nezáleží na tom, jak rychle se motor otáčí, produkovaný kroutící moment je limitován maximem 28nm. Pro upřesnění je ještě nutno přidat malé množství kroutícího momentu nutného pro akceleraci motoru a přední nápravy a pro překonání vnitřních odporů pohonného ústrojí.



… další příklad klasického diferenciálu ilustrující rozdíl mezi snahou otáčet a otáčením:

Klasický diferenciál se zataženou ruční brzdou: Zadní kola jsou zajištěna proti otáčení zatažením ruční brzdy, ale i přes to je auto stále schopno pohybu. Předpokládejme, ze zadní kola jsou na šotolině a přední na vozovce. Jestliže kroutící moment nutný k otočení předních kol i přes vlečení zadních zablokovaných, je 100nm, tak je nutné aby motor dodal 2.8 * 100 = 280nm. Zbytek kroutícího momentu, 180nm, je spotřebován na snahu otočit koly zadní nápravy. Tento kroutící moment končí jen tlačením proti brzdovému obložení, které musí tlačit zpět, aby zajistilo, ze se zadní kola neotočí.

Nutno poznamenat, že v obou těchto případech veškerý výkon motoru jde na přední kola, ale kroutící moment je rozdělen v poměru 35:65. (A také je nutno poznamenat, že zákon o zachování energie říká, že v obou těchto příkladech přední náprava se musí otáčet 2.8x rychleji než motor a konstrukce centrálního diferenciálu zajišťuje, aby se tak stalo).

V druhém případě je klasický diferenciál výhodou. Jestliže si přejete udělat otočku „přes ruční brzdu“ a uchovat vozidlo v pohybu díky předním kolům, můžete. To je důvod proč se DCCD odemkne v okamžiku zatažení ruční brzdy. Ale v prvním případě je tady problém, protože fakt, ze přední kola jsou na ledě, limituje množství kroutícího momentu jdoucího z motoru, což je příčinou, že zadní kola nedokážou pohnout vozidlem a dostat ho mimo led.





Diferenciál s omezenou svorností (The limited Slip Differential - LSD)

Řešení tohoto problému (příklad první) přináší ta část DCCD, která omezuje jeho svornost. Popsat co diferenciál s omezenou svorností dělá několika slovy můžeme třeba takto: Diferenciál s omezenou svorností distribuuje kroutící moment v závislosti na jeho nastavení a trakčních podmínkách. DCCD disponuje důmyslným svorným mechanismem o kterém budeme mluvit v části druhé, ale pro teď si jen představte, že jedna část je spojena s hřídelí pohánějící přední nápravu a druhá je spojena s hřídelí pohánějící zadní nápravu. Spojením obou těchto částí jsou obě hřídele propojeny a tak se budou snažit dodat oběma nápravám stejnou rychlost. Co se ale stane když jsou obě hřídele otáčeny stejnou rychlostí? Ze všech diskusí vyplývá jediná otázka. Jak je rozdělen kroutící moment v okamžiku, kdy je LSD úplně zamčen a obě hnací hřídele se otáčejí stejnou rychlostí?

Odpověď na tuto otázku je: To záleží na okolnostech, ani 35:65 ani 50:50. Mnohdy odborná literatura uvádí něco jako „rovnoměrná distribuce kroutícího momentu“ , ale toto je nepřesné zjednodušení o mnoho komplexnějšího procesu. O mnoho promyšlenější odpovědí může být:



Záleží to na:
1. rozložení váhy vozidla mezi přední a zadní nápravu
2. dynamickém zatížení os (během akcelerace a při bržděni)
3. dostupném tření pneumatik, které závisí na povrchu pod pneumatikou (led, sníh, šotolina, asfalt) a na pneumatikách samých
4. na míře uzamčení LSD
5. kroutícím momentu dodávaném motorem



Změny těchto parametrů znamenají také změny v distribuci kroutícího momentu mezi přední a zadní nápravu. A co to znamená? Dokud se obě, přední i zadní, nápravy otáčejí stejnou rychlostí, je každému jedno jak je kroutící moment distribuován. Toto je právě obdivuhodné na LSD, protože obě nápravy jsou nuceny se otáčet společně. Nezáleží na tom, která náprava provádí kterou část práce, výsledným efektem je, že se všechna kola otáčejí stejnou rychlostí a vozidlo se pohybuje přímo vpřed. Pro lepší porozumění, co LSD dělá a jaké síly hrají hlavní roli na nápravách a pneumatikách, nám dovolte vysvětlit problematiku blíže.

Pojďme se podívat na náš problém ještě jednou, ale tentokrát s LSD nastaveným tak, že obě nápravy jsou nuceny otáčet se společně (locked/zamčený):



Uzamčený diferenciál a přední kola na ledě

Stejně jako v předchozím případě kroutící moment na přední nápravě nutný k otočení předních kol je 10nm. Je to maximální množství kroutícího momentu, které je možné aplikovat na přední nápravu. Proč? Protože podmínky pod předními koly (led) jsou pořád stejné. Led tlačí proti pneumatikám jen 10nm a tak přední kola mohou tlačit proti ledu také jen 10nm. Toto je velmi důležité, aby jste chápali. Nemůžeme tlačit proti něčemu co nebude tlačit proti. Ale protože jsou hnací hřídele propojeny (locked/uzamčeny), tak motor má možnost díky tomuto spojení vyvinout větší kroutící moment než 10nm na přední nápravu. Můžete si to představit jako jedinou dlouhou hnací hřídel, která pohání přední nápravu na jednom a zadní na druhém konci rozdělenou silou v poměru 35%:65%. Následující obrázek (2) ukazuje právě tuto situaci.





Obrázek 2.


Co se stane, jestliže bude motor produkovat kroutící moment 100nm? Rozdělení by mělo proběhnout v poměru 34nm pro přední kola, 65 pro zadní kola. Ale pamatujete, že přední kola jsou schopna přenést jen 10nm? Pokud jsou zadní kola schopna akceptovat 90nm, tak celý zbytek kroutícího momentu (90nm) je přenesen na zadní kola, což předpokládejme by mělo být dost, aby se vozidlo pohnulo. V tomto případě je kroutící moment dodávaný motorem rozdělen v poměru 10% přední kola, 90% zadní kola (ignorovali jsme případ, kdy jsou zadní kola schopna přenést více jak 90nm, k tomu se vrátíme později).

Čím je v tomto případě určeno, že kroutící moment bude rozdělen v tomto poměru? Je to množství trakce na nápravách. Konkrétně v tomto případě co určilo tento poměr? Byl to ledový povrch, typ pneumatiky a zátěž na nápravě. S více zatíženou nápravou muže být dosaženo větší trakce (to je přesně ten důvod, proč majitelé pickupů dávají v zimě do nákladového prostoru pytle s pískem). Stejně tak použitím zimních pneumatik zvýšíte míru trakce na nápravě. Tady vidíte jak je kroutící moment dělen mezi nápravy v závislosti na množství kroutícího momentu, který jsou nápravy schopny přenést, což je určeno zatížením, dynamikou a třením. Dále uvádíme další příklad:



Uzamčený diferenciál a všechna kola na asfaltě, zadní zatížena

Předpokládejme, že máme automobil, jehož celý nákladový prostor je plně naložen. Rozložení zátěže na nápravách je 40% v předu a 60% v zadu. Také předpokládejme, že když je náklad perfektně vyvážen a aby se protočila kola je potřeba vyvinout sílu na každou z náprav rovnou 200nm (celkově 400nm). V tomto nevyváženém stavu je však tato síla zredukována na přední nápravě a zvětšena na zadní nápravě vždy o 20%. Takže je třeba vyvinout kroutící moment 160nm na přední kola a 240nm na kola zadní (2 nápravy => 2*200nm, přední: 400nm * 0,4 = 160nm [-20% z 200nm], zadní: 400nm * 0,6 = 240nm [+20% z 200nm]). Je důležité poznamenat, že i když dodáme menší množství kroutícího momentu než je maximum, tak je stále rozdělován v tomto poměru. Takže jestliže motor dodává celkový kroutící moment 100nm, opět použijeme představu naší jediné hnací hřídele, tak by měl být rozdělen na 40nm na předek a 60nm na zadek. Ovšem jestliže budou na přední nápravě špatné pneumatiky, nebo auto bude stát předními koly na špinavém povrchu, tak že maximální kroutící moment, který můžeme přenést, bude jen 100nm na přední nápravě a 240nm na zadní nápravě, bude kroutící moment rozdělen v poměru 29nm předek a 71nm zadek (celkem 100nm+240nm, přední: 100 / 340 = 0,29[29%], zadní: 240 / 340 = 0,71[71%]).



S uzamčeným diferenciálem bude VŽDY kroutící moment rozdělen proporcionálně vzhledem k maximu trakce, která závisí opět na zatížení, tření a použitých pneumatikách.



A ovlivní míra uzamčení LSD a celkový výstupní kroutící moment z motoru jeho distribuci (rozdělení)? Samozřejmě, že ano, protože DCCD nepohání nápravy jednou perfektní hnací hřídelí, jak jsme uváděli v příkladech. Teorie jedné hnací hřídele pracuje jen tehdy, jestliže rozdíl mezi maximálním přenositelným kroutícím momentem na přední a zadní nápravě nebude větší než síla potřebná k překonání svornosti LSD. V tomto okamžiku mechanismus LSD nemůže přenést více kroutícího momentu, bez ohledu na to, jestli důvodem je limit vyplývající za omezeného prokluzu, nebo že se hnací hřídele otáčejí každá jinou rychlostí.

Opět uvádím parafrázi z howstuffworks.com: „Kroutící moment dodávaný na kola, která nejsou na ledě, je rovný množství kroutícího momentu potřebného k překonání svornosti LSD“. Toto opět říká, že maximální množství kroutícího momentu, které může být přesunuto z trakčních důvodů z přední hnací hřídele na hřídel zadní je maximálně množství které je potřebné k tomu, aby došlo k překonání svornosti LSD. Tato síla je určena procentem „uzamčení“ LSD a dokonce i když je LSD nastaven na 100% uzamčení, tak DCCD „povolí“, když je aplikováno předem dané množství kroutícího momentu. Opět uvidíme příklad, který toto demonstruje:



Uzamčený diferenciál, přední kola na ledě a zadní na asfaltu

Řekněme, že kroutící moment potřebný k protočení předních kol je 3nm a k protočení zadních kol je 200nm a že tato čísla jsou výsledkem dostupné trakce a rozložení zátěže. Nejdříve se podíváme na plně uzamčený diferenciál tvořící jednu dlouhou hřídel.

Předpokládejme také, že kroutící moment potřebný k překonání plně uzamčenému diferenciálu je 50nm. Tím je dáno, že maximální množství kroutícího momentu dodávaného motorem otáčejícím koly na přední nápravě jsou 3nm plus maximálně 50nm nutných pro překonání LSD (do tohoto okamžiku funguje teorie jednoho hnacího hřídele, pozn. překladatele). Jakékoliv větší množství kroutícího momentu na přední nápravě povede k překonání mechanismu LSD a k protočení předních kol. Konkrétně, když bude motor dodávat kroutící moment 151nm (>53nm), tak distribuce kroutícího momentu bude 35% (53nm) na přední nápravu a 65% (98nm) na zadní nápravu. V tuto chvíli jakýkoliv další kroutící moment překoná obojí, jak tření na ledě, tak svornost LSD a přední kola se začnou protáčet a pak jakákoliv snaha o zvýšení kroutícího momentu dodávaného motorem zapříčiní jen, že se přední kola budou protáčet rychleji a budou se zvyšovat otáčky motoru. Rozdělení kroutícího momentu bude nyní 3nm v předu a 148 v zadu.



Přední kola na špinavém povrchu, zadní kola na asfaltu a DCCD nastavený na 10% uzamčení

Stejná situace jako před tím, ale tentokrát je max. kroutící moment přenositelný v předu 50nm, v zadu pak 200nm. Také svornost DCCD je nastavena na 10%, což se rovná 5nm, které překonají svornost LSD . V tomto případě nastane okamžik, kdy LSD není schopen přenášet dříve, než se začnou protáčet přední kola. Od tohoto okamžiku je veškerý další dodávaný kroutící moment rozdělován v poměru 35% pro přední nápravu a 65% pro zadní nápravu, stejně jako v případě klasického diferenciálu. Tato změna přichází, když motor dodává celkový kroutící moment 33,5nm a aktuální kroutící moment na nápravách je 6,7nm v předu a 28,7nm v zadu. Jestliže zvýšíme množství kroutícího momentu na 100nm, pak zbytek (66,5nm) je rozdělen v poměru 35:65, takže konečné rozložení kroutícího momentu je 30nm v předu (66,5x0,35+6,7), 70nm v zadu (66,5x0,65+28,7).
Když pak změníme procento svornosti na 100%, LSD je schopen přenést veškerý rozdíl (15nm) a naše analogie s jednou hřídelí opět funguje. Rozdělení kroutícího momentu je nyní 20nm v předu, 80nm v zadu.



Změnou procenta svornosti můžete ovlivnit distribuci kroutícího momentu mezi nápravami i když nedochází k žádnému proklouznutí, nebo k protočení.



Co je třeba si zapamatovat z této části?

1. S klasickým, nebo s otevřeným diferenciálem je kroutící moment vždy rozdělován v poměru daném konstrukcí planetového převodu
2. Když je diferenciál uzamčen, odpovědí na otázku „jak je kroutící moment rozdělen“ je: „Záleží na okolnostech a není to vždy 50:50“



Zdroj: http://wallace.as.arizona.edu/~cgroppi/DCCD_FAQ/DCCD_FAQ.html

PřílohaVelikost
(DCCD.doc) Text článku ve formatu MS Word198.5 KB

Nesuhlasim

Vazeny autor,

nevie, ako vy, moje auto ma DCCD prvej generacie a jediny dovod, preco sa prestavuje do pozicie open pri zatiahnutej rucnej je jeho riadiaca elektronika, ktora kontroluje cidlo rucnej. Priamo vyrobca v manuale uvadza, ze povytiahnutim rucnej sa da zamedzit buchaniu pri parkovani, ak je v inej ako zelenej pozicii.

Dalej sa mi zda, ze kombinujete tocivy moment preneseny na vozovku s tocivym momentom, prenasanym medzi napravami. Pri full lock bude bez ohladu na to, ci je auto na lade, alebo suchom asfalte pevne podla jeho nativneho rozdelenia. Tato drobnost na suchom asfalte sposobi vyrazny rozdiel v otacani kolies, ktory moze ukoncit zivotnu put diferencialu. Aj na toto vyrobca myslel a novsie generacie maju schopnost prepnut sa do mensej svornosti.

Část 2. a 3.

Do dnešního dne autor nezveřejnil zbývající dvě části obsahující technické detaily konstrukce DCCD a popisu, jak pracuje DCCD v automatickém režimu.