Tasauspyörästö
Olemme varmaan kaikki, tai ainakin lähes kaikki, tai ainakin jotkut, tai ainakin minä, pyöritelleet pöydällä leluauton akselia, jossa akselina on kiinteä tikku, johon on juntattu päihin pyörät. Tämä väpytin ei ole kovinkaan hanakka kääntymään pienestä koostaan huolimatta. Ilmiö johtuu siitä, että pyörät kulkevat kääntyessä samassa ajassa eri matkan, mutta kun ne on pakotettu pyörimään samalla nopeudella, ei yhtälö täsmää, vaan toisen pyörän pitäisi joko sutia tyhjää (sisempi pyörä) tai laahata osittain lukkojarruna (ulompi pyörä).
Olemme varmaan kaikki (tai ainakin lähes kaikki, jne) joskus koettaneet työntää polkupyörää, joka on lukossa tai jarrut jumissa. Ei se kovin mielellään liiku. Eikä myöskään sudi, jos renkaalla on pitoa. Mut jommankumman on pakko, muuten ei tuollainen kiinteä akseli käänny. Homma helpottaa heti, jos akselin ja pyörien väliin laitetaan laakeroinnit, jolloin sisempi pyörä voi pysyä vaikka paikallaan ja ulompi pyöriä ympärillä akselin mitan säteellä. Jos niitä polkupyöriä otetaan kaksi rinnakkain ja laitetaan toisen takarengas lukkoon, kiinnitetään ne poikittaispalkilla ja aletaan työntämään palkin keskeltä vauhtia, pyörii kasattu pyörävaunu paikallaan sen lukitun takarenkaan ympärillä.
Otetaan esimerkki automaailmasta. Alfa Romeo 156 2.5V6:n etuakselin raideleveys (speksin mukaan eli vakiovanteilla, irvileuat) on 1511mm ja kaartosäde (tai oikeammin -halkaisija) 11,6m. Täyden ympyrän ratti linkussa ajaessa ulompi etupyörä siis kulkee keskeltä 11,6-0,1025*pi=36,12m matkan, kun taas sisempi etupyörä kulkee keskeltä (11,6-1,511-0,1025)*pi=31,37m matkan. Eroa siis tulee reilut 4,7 metriä. Vakiokokoisen 205/60R15 -renkaan vierinkehä on n. 2050mm, eli ulompi rengas joutuu pyörimään ympyrän mitalla reilusti yli 2 kierrosta enemmän kuin ulompi. Ja nyt kuitenkin puhutaan mallista, jonka kääntyvyys ei tunnetusti ole maailman notkeinta.
Alfa Romeo 156V6 eturenkaiden kaartoympyrät, taustan ruudukossa yksi ruutu on 1m*1m ja rengasleveys on 205mm
No mutta miten on mahdollista, että ulompi pyörä pyörii enemmän kuin sisempi? Takanahan tämä on helposti selitetty, kun kumpikin pyörä on kiinni omassa olassaan yksittäisellä laakerilla, eikä takapyörien välillä ole mitään linkkiä (eikä nyt jeesustella Q4:sta, esimerkissä on pikkubusso). Mutta mites edessä, kun samaan aikaan kuski painaa kaasua ja pitää vedon päällä (sen verran maltillisesti, ettei savu nouse - se sekottaisi laskelmat)? Siellä renkaiden, tai tarkemmin vetoakseleiden välissä on taikakalu, jota kutsutaan tasauspyörästöksi. Käytännössä tasauspyörästö tasaa renkaiden kautta tiehen (tai jarruun tms vastukseen) välitettävän voiman (vähän kuin työntäisi niitä polkupyöriä hetki sitten keskeltä niitä yhdistävää tankoa) ja koska sekä pyörimättä raahaaminen että sutiminen kaipaavat enempi voimaa kuin tasaisesti pitävän pinnan mukaan pyöriminen, vetävät molemmat renkaat niin että reippaammin menevä pääsee pyörimään kovempaa vauhtia. Jos ulomman renkaan pinnasta saadaan tiehen (tai jarruun tms vastukseen) välitettyä 100Nm, menee vastaava voima myös sisemmälle, mikäli laahaaminen tai sutiminen vaatisi enemmän voimaa.
Fyysisesti tasauspyörästö toimii niin, että vaihteistolta tuleva akseli pyörittää tasauspyörästön ulkokuorta, johon on kiinnitetty poikittain ns. pikkurattaat, jotka puolestaan nojaavat vetoakselien päässä oleviin pikkurattaisiin. Mikäli kumpikaan vetoakseli ei vastusta pyörimistä toista enemmän (=mennään suoraan pitävällä pinnalla), pyörii koko paketti mieluiten tasaista vauhtia ja molemmat pyörät vetävät. Kun toinen vetoakseli alkaa vastustaman toista enemmän (vaikkapa kääntyessä) jää se luonnostaan jälkeen muun paketin vauhdista ja pikkurattaisto välittää vauhdin sille toiselle vetoakselille niin, että molempiin suuntiin päätyy toisiaan vastaava voima.
Juuri ennen tasauspyörästöä, käytännössä siihen naitettuna sijaitsee tyypillisesti perävälitys, joka muuttaa vaihteistolta tulevan kierrosluvun ja vääntömomentin käytännöllisemmälle tasolle. Esimerkkimme 156:ssa perän välityssuhde on 3,973:1, eli tasauspyörästön ulkokehä (ja suoraan ajaessa renkaat) pyörähtää yhden kierroksen kun vaihteistolta tuleva akseli pyörähtää 3,973 kierrosta. Perävälitys on tyypillisesti samaa pakettia tasauspyörästön kanssa ja siksi yleisesti paketista puhutaankin peränä.
Mutta hetkinen! Mikäs se olikaan tuo maininta mikäli laahaaminen tai sutiminen vaatisi enemmän voimaa? Entäs sitten, jos ei vaadikaan? Yksinkertaista, rakas Watson. Siinä tilanteessa laahaava tai (käytännössä aina) sutiva pyörä määrittää suurimman voiman, mitä voidaan välittää eteenpäin. Tällöin käy se meidän kaikkien, tai ainakin useimpien, tai.. no, te tiedätte, tuntema efekti, että vetävän akselin toinen pyörä suttaa tyhjää eikä eteneminen ole kummoista. Näi käy myös, jos etuveto nostaa tassua Ahvenistolla Tornin mutkassa (siinä yleensä nostetaan etutassua jos jotain, siksi etuveto), jolloin auto alkaa hidastua - koska ilmassa pyörivä pyörä ei käytännössä vääntöä välitä, ei välitä se toinenkaan.
No mut.. mut.. mutta kyllähän meidän PITÄÄ saada ajaa Tornin mutka sisätassu ilmassa ulkogummi parkuen!
Toki, etenkin jos vasemman reunan hietikko näyttää houkuttelevalta. Tässä kohtaa kuvaan astuu tasauspyörästön lukko, jota usein myös lukkoperäksi kutsutaan (muistammehan, käytännössä se perävälitys on yhtä pakettia tasauspyörästön kanssa).
Tasauspyörästön lukko eli lukkoperä
Kun viisas insinööri on kehittänyt tasauspyörästön mahdollistamaan vetävän akselin kääntymisen, on hän myös luonut yhden sutivan pyörän ongelman. Tähän ongelmaan on kehitetty ratkaisuksi tasauspyörästön lukko, joka nimensä mukaisesti lukitsee tasauspyörästön niin, että lähtevät akselit pyörivät keskenään samaa vauhtia. Lukkotekniikoita on kehitetty useita erilaisia eri tilanteisiin. Niitä yhdistää se, että ne vähintään rajoittavat ulostulojen pyörintänopeuseroja ja ovat omistajansa mielestä parhaita. Koska lukkoperä rajoittaa pyörintänopeuseroa, pakottaa se menemään voimaa pitävälle ulostulolle, vaikka toisen ulostulon rengas olisi ilmassa. Tässä tilanteessa 100% liikettä tekevästä voimasta menee yhden pyörän kautta tiehen, mikä tietenkin miellyttää markkinointiosastoa ("Älykäs tasauspyörästöraktkaisu jakaa jopa 100% voimasta pitävälle pyörälle").
Käsikäyttöinen ns. junttilukko
Tälläinen lukko kytketään käsikäyttöisesti ja se lukitsee ulostulot olemaan koko ajan ns. yhtä puuta, eli lainkaan pyörintänopeuseroa ei sallita. Tuloksena on alkupään esimerkin kaltainen kiinteä akseli. Maasturiväen mielestä usein ainoa oikea lukko, koska erottuu vahvasti edukseen mm. mutakuopasta noustessa. Arkiajossa kuitenkin varsin kankea, koska haittaavaikutus kääntymiseen on merkittävä.
Rajoitetun luiston lukot, englanniksi Limited Slip Differential eli LSD
LSD nimensä mukaisesti rajoittaa luistoa, eli mahdollistaa rajatun pyörintänopeuseron ulostulojen välillä. Arkiajossa mukava ja pätevä - auto kääntyy hienosti, mutta myös vetää molemmilla pyörillä liukkaalla kelillä.
Viskolukko (LSD)
Viskolukollisessa tasauspyörästössä on lähellä toisiaan olevat kitkalevyt, joista toiset on kytketty tasauspyörästön kuoreen ja toiset vetoakseliin, jolloin näiden lukittuminen toisiinsa ohittaa tasauspyörästön. Viskolukollinen tasauspyörästö sisältää ns. viskoöljyä, joka lämpiää kitkalevyjen pyörintänoepuseron ansiosta ja lämmetessään lukitsee levyt toisiinsa. Tämä tarkoittaa sitä, että aktivoituakseen viskolukko tarvitsee sen pyörintänopeuseron, eli vähemmän pitävän pyörän pitää päästä sutimaan, jotta lukko aktivoituu. Koska toiselta pyörältä on pito jo menetetty, on eteneminen käytännössä tyystin pitävämmän pyörän varassa. Koska viskolukko perustuu kitkalevyihin ja nesteeseen, se kuluu käytössä ja voi siis tarvita huoltoa/korjausta elämänsä varrella.
Kartiolukko/levylukko (LSD)
Kartiolukossakin on tasauspyörästössä tosiaan lähellä olevat kitkalevyt, joista toiset on kytketty tasauspyörästön kuoreen ja toiset vetoakseliin. Kartiolukossa kuitenkin on myös sisäreunalla kitkapalat, joissa pikkurattaat ovat kinni kartiopaloilla, jotka pyrkivät vedon päälläollessa levittämään kitkapaloja, jotka puolestaan painavat kitkalevyt toisiaan vasten, jolloin tasauspyörästö ohitetaan ja voimansiirto lukittuu. Kartion jyrkkyydestä riippuu, miten äkäisesti lukko kiinni tarraa ja kartiopala voi olla joko 1-suuntainen, epäsymmetrisesti 2-suutainen tai symmetrisesti 2-suuntainen. Käytännössä 1-suuntainen kartiopala lukitsee vain, kun moottorilta tulee vetoa viemään autoa eteenpäin ja moottorijarrulla sekä peruuttaessa lukko on auki. 2-suuntaisella palalla varustettu lukko lukitsee myös moottorijarrulla sekä peruuttaessa, epäsymmetrinen vähemmän (tai enemmän, sekin on teknisesti mahdollista) kuin eteenpäin ajaessa ja symmetrinen puolestaan saman verran. Kytkin pohjassa kartiolukko on auki ja auto kääntyy hienosti. Vedon voimakkuus myös vaikuttaa lukitsemisen tasoon, eli kartiolukkoa voi ainakin jossain määrin hallita kaasupolkimella. Kartiolukko/levylukko perustuu käytännössä automaattisiin monilevykytkimiin, joten sekin kuluu käytössä ja voi tarvita huoltoa.
Active Differential / sähköinen Torque Vectoring -perä (esim. Audin Sport Differential)
Nämä ovat kohtuu tuoretta tekniikkaa ja hieno oivallus. Käytännössä avoimen perän yhteyteen on asennettu sähköohjatut kytkimet, joilla tasauspyörästön kuori kytketään vetoakseliin kiinni 0-100%. Hallitsemalla luiston määrää ohjelmistopohjaisella ohjauksella, voidaan voimanjakoa hallita hyvinkin tarkasti ja näin maksimoida tiehen välittyvä voima luopumatta renkaiden eriävästä pyörintänopeudesta. Haluttaessa (ohjelmiston halutessa, ei välttämättä kuskin) voidaan myös vetää molemmat kytkimet kiinni asti, jolloin tasauspyörästö on lukossa.
Torsen
Otetaan tämä nyt tähän maineensa takia. Tosiasiassa Torsen ei ole lukko, vaikka sitä sellaisena usein mainostetaankin. Torsen on kertova tasauspyörästö - se ei rajoita pyörintänopeuseroja, mutta mahdollistaa pitävämmälle ulostulolle x-kertaisen määrän voimaa vähemmän pitävään nähden. Arkiajossa Torsen on erittäin pätevä, etenkin asialliseen ajonvakautukseen yhdistettynä. Tilanteessa, missä toisen ulostulon rengas on ilmassa (eli esimerkkitapauksessa Tornin mutkassa) torsen on voimaton, ellei jarrulla saa vietyä vastusta vapaasti pyörivälle pyörälle. Tämä johtuu siitä, että ilmassa olevan pyörän kautta tiehen välittyy 0Nm voimaa ja 0*x=0, joten ei välity pitävältäkään puolelta. Torsen ei käytännössä kulu, vaan on samalla tapaa pitkäikäinen konstruktio kuin tavallinen avoin tasauspyörästökin.
Palalukko (Spartan Locker, Detroit Locker ja vastaavat)
Tämäkään ei oikeastaan ole tasauspyörästön lukko, vaan tasauspyörästön korvike. Käytännössä palalukko pyrkii pysymään lukossa etenkin vedolla, mutta mahdollistaa luistamisen havaittavan ääniefektin kera.
EDL, eli jarruilla toteutettu ns. leikkilukko
Tämäkään ei lukitse tasauspyörästöä, mutta otetaan pyynnöstä mukaan. EDL toimii niin, että avoimen tasauspyörästön kanssa jarrutetaan sutivaa pyörää, jotta akselille saadaan tasauspyörästölle näkyvää vastusta, jolloin tasauspyörästö tasaa jaettavan voiman ja pitävällekin pyörälle menee voimaa. EDL on aina reaktiivinen, eli se voi reagoida vasta kun toinen pyörä sutii, eikä todennäköisesti ole kovinkaan tarkka. Jarrulla hallittava voima eroaa tiehen välittyävästä voimasta, koska jarrulevyn halkaisija on selvästi rengasta pienempi, mikä vaikuttaa efektiivisesti välityssuhteeseen (vetoakselin kierrosta per metri kitkapinnalla). Lisäksi jarrulevyjen ja -palojen erot etenkin tarvikeosissa sekä mm. lämpötila vaikuttavat varsinaiseen jarruvoimaan, mikä hidastaa EDL:n reagointimahdollisuuksia entisestään.
Käytännössä siis arjessa, radalla jne käytettävään autoon Torsen tai LSD -tyyppinen perä on huikea valinta. Nämä eivät haittaa kääntymistä (ellei sitten LSD ole viritetty liian tiukaksi), mutta tarjoavat reilusti apua vetopitoon. Paikoissa, missä pienikin sutaisu on haitaksi, on junttilukko kuningas - nyt ja aina.
Lukko? Torsen? Maasturit? Puhutaanko nyt nelivedoista?
Ei, ei puhuta nelivedoista. Siirsin neliveto-osuuden toiseen dokumenttiin, jonka käyn linkkamassa tähän, kun saan sen julkaistua.
Siittä. Jäikö joku mietityttämään, arveluttamaan tai keksitkö korjattavaa? Anna mennä, sana on vapaa ja tekninen keskustelu paitsi suotavaa, myös toivottavaa. Jos keksin sopivan piirto-ohjelman, saatan koettaa piirrellä tekstin tueksi enemmän tai vähemmän hienoja kuvia.
156:n speksit on kaivettu tuolta: http://www.alfaromeopress.com/press/detail/6088
Kirjoittaja on autoharrastaja, joka aina välillä pohdiskelee teknisiä kokonaisuuksia vähän oman kalustonsa ulkopuoleltakin
Edit: lukkotyyppejä tarkennettu, virheitä korjattu ja yksi kuva lisätty
Edit 2: Tässä on aika hyvä yhteenveto erilaisista lukitussysteemeistä:
https://www.youtube.com/watch?v=x40WGUtdaLI
Edit 3: Lisätty Torque Vectoring -perä ja tarkennettu lukkotietoja
Edit 4: Napattu neliveto-osuus pois, julkaisen sen omaan dokumenttiinsa.
.
