Tasauspyörästöt

Tasauspyörästön tehtävä on jakaa voimaa pyöriin sekä mahdollistaa pyörien erisuuruiset pyörimisnopeudet. Tasauspyörästö sijaitsee tavanomaisesti akselissa mutta voi olla myös akselien välissä. Akselin toisen pyörän ollessa liukkaalla alustalla tasauspyörästö heikentää auton kykyä edetä, ja siksi tasauspyörästössä voi olla luistonrajoitin tai lukko.

Voimansiirtoa käsittelevän juttusarjan osat

  1. Voimansiirron rakenne
  2. Etuveto, takaveto, neliveto ja Ackermann
  3. Välityssuhteet
  4. Kytkimet ja momentinmuunnin
  5. Vaihteistot
  6. Akselit
  7. Tasauspyörästöt

Tasauspyörästön toiminta

Tavanomaisessa autossa tasauspyörästö sijaitsee vetävässä akselissa. Vaihdeakselissa voima tulee vaihteistosta suoraan hammaspyörien välityksellä, ja erillisakselissa voiman tuo kardaaniakseli. Tasauspyörästö on ikään kuin haaroitin, sillä se jakaa voiman kohti molempia pyöriä.

Tasauspyörästön toinen tehtävä on antaa pyörien pyöriä eri nopeudella. Kun autolla kaartaa, ulkokehän puoleinen pyörä kulkee samassa ajassa pidemmän matkan kuin sisäkehän puoleinen. Toisin sanoen ulkokehän puoleinen pyörä pyörii nopeammin. Jos akselissa ei olisi tasauspyörästöä – kardaaniakseli vaikkapa pyörittäisi yhtenäistä, pyörästä pyörään kulkevaa tankoa – kaarteessa sisäpuolinen pyörä sutisi tai akseli hajoaisi.

Voimans, PerustasauspyörästöKardaaniakselin päässä on kartion muotoinen hammaspyörä, joka pyörittää tasauspyörästön lautaspyörää. Lautaspyörän kanssa kotelo on yhtenäistä rakennetta, eli lautaspyörä ja kotelo pyörivät aina kiinteästi kardaaniakselin mukana. Sen sijaan kotelon sisällä olevat hammaspyörät mahdollistavat pyörien nopeuksien välisen eron.

Kun toinen pyörä pyrkii pyörimään hitaammin, kotelopyörät alkavatkin pyöriä vetopyörän ympäri eivätkä siis pyöritä sitä. Samaan aikaan kotelopyörät jatkavat toisen vetoakselin hammaspyörän pyörittämistä.

Sutiminen

Tasauspyörästön ongelmat alkavat siinä vaiheessa, kun akselin toinen pyörä on pitävällä pinnalla ja toinen huonommin pitävällä pinnalla. Toisin sanoen renkaan ja sen alustan välinen kitkakerroin ei ole yhtä suuri. Kitkakertoimella ja pyöriin pystysuuntaisesti kohdistuvalla massalla on merkitystä siinä, kuinka herkästi pyörä lyö tyhjää. Käytännössä erilaisilla pinnoilla pyöriin pystysuuntaisesti kohdistuva massa pysyy samana – se on pyörien päällä oleva auton massa –, joten useimmiten merkitystä on vain kitkakertoimen suuruudella.

Jos toinen pyörä on esimerkiksi jään päällä, ei tasauspyörästön kotelopyörien tarvitse suurella voimalla kääntää kyseisen pyörän vetoakselin hammaspyörää saadakseen pyörän pyörimään. Pyörähän alkaa pyöriä, tarkasti sanottuna sutia, helposti jään päällä. Toisaalta sama voima ei enää riitä asfaltin päällä olevan pyörän pyörittämiseen. Kotelopyörät vain pyörivät asfaltilla olevan pyörän vetoakselin hammaspyörän ympäri.

Vääntöä kulkeutuu molempiin pyöriin siis saman verran, mutta kuitenkin vain sen verran, minkä jään päällä olevan pyörän pyörimään saamiseksi pitää olla.

Tasauspyörästön lukko eli TPL

Tasauspyörästön lukko tarkoittaa sellaista tasauspyörästöön kuuluvaa osaa, joka lukitsee tasauspyörästön. Kun tasauspyörästö on lukittu, pyörien pyörimisnopeuteen sekä väännön jakautumiseen tulee muutoksia. Konkreettinen muutos on se, että akselista tulee tavallaan yhtenäinen. Pyörät pyörivät aina samalla nopeudella. Kotelopyörät eivät voi pyöriä jommankumman vetopyörän ympäri.

Otetaan esimerkiksi tuttu tilanne, että saman akselin toinen pyörä on jään ja toinen asfaltin päällä. Ajatellaan pyöriin menevän voiman kasvavan niin suureksi, että jäällä olevan pyörän saisi pyörimään. Pyörä ei kuitenkaan ala pyöriä, koska voima ei riitä asfaltilla olevan pyörän pyörittämiseen. Se taas johtuu siitä, että tasauspyörästö on lukittu ja akseli on yhtenäinen.

Kun voima kasvaa siihen pisteeseen, että asfaltilla oleva pyöräkin alkaa pyöriä, auto liikkuu. Silloin voima on myös kasvanut varsin suureksi, koska se on jäälla olevan pyörän pyörittämiseen vaadittava voima lisättynä asfaltilla olevan pyörän pyörittämiseen vaadittavaan voimaan.

Monelle ristiriitaista voi olla se, että tasauspyörästön ollessa lukittuna voimaa, eli autojen pyörien pyörittämisen tapauksessa vääntöä, ei mene akselin pyöriin yhtä paljon. Onhan jäällä olevan pyörän pyörittämiseen vaadittava voima vähemmän molempien pyörien pyörittämiseen tarvittavan voiman kokonaismäärästä – voimaa ei siis mene 50:50-suhteessa!

Toisin sanoen tasauspyörästön lukolla saa sen edun, että voimaa kulkeutuu pyöriin enemmän. Lisäksi lukolla kiinteäksi lukitusta akselista seuraa se, että jos toinen pyörä on pitävällä pinnalla, voi se saada auton liikkumaan.

Toisaalta tasauspyörästön pitäminen lukittuna silloin, kun pyörien alla on hyvä pito, voi johtaa tasauspyörästön rikkoontumiseen. Lisäksi autoa on vaikea saada kääntymään, jolloin se voi ajautua ulos tieltä.

Tasauspyörästön luistonrajoitin eli TPR

Tasauspyörästön luistonrajoitin on tavallaan osittainen lukko. Sitä kutsutaan myös kitkalukoksi. Se sekä sallii pyörien pyörimisen eri nopeudella että voi jakaa voimaa muussa suhteessa kuin 50:50. Siksi se on lukkoa hieman turvallisempi vaihtoehto mutta ei paranna auton kykyä edetä yhtä paljon.

Luistonrajoitin koostuu tasauspyörästön koteloon lisätyistä painelevyistä sekä kytkinpakoista. Pyöriessään kotelopyörien akseli painattaa painelevyjä sivuille niin, että kytkinpakat painuvat kasaan. Tällöin vetoakselit alkavat pyöriä kotelon mukana. Kun pyörimisnopeudessa on eroa kaarteessa ajettaessa, toisen kytkinpakan kytkinlevyt luistavat. Kun molemmat kytkinlevyt ovat lukittuneet eli akseli on kiinteä, jakautuu vääntöä pitävän pyörän vaatima määrä – siis aivan kuin lukitussa tasauspyörästössä.

Koska kytkinlevyjen lukittuminen riippuu kotelopyörien akselin pyörimisestä, ja sen pyörimiseen vaikuttaa sekä kiihdyttäminen että jarruttaminen, ei TPR kuitenkaan toimi normaalisti kaarteessa, jos samaan aikaan kiihdyttää tai jarruttaa. Jos näin tekee kaarteessa, akseli lukittuu, jolloin joko pyörä tai kytkinlevyt luistavat.

TPR:n heikkous TPL:ään nähden on se, että kun pyörä pyrkii pyörimään niin paljon nopeammin, että se voittaa kytkimien kitkan, lukitus tavallaan poistuu ja väännön määrää sutiva pyörä. Silloin eteneminen todennäköisesti katkeaa.

Akselien välinen tasauspyörästö

Tasauspyörästö voi sijaita myös auton keskellä eli akselien välissä, ja siinä voi myös olla lukko tai luistonrajoitin. Yleisesti automaattisesti sekä jatkuvasti nelivetoisissa autoissa tasauspyörästö on akseliseissa sekä niiden välissä, jotta akselitkin pääsevät pyörimään eri nopeudella ja jotta voimansiirto ei rasittuisi neliveto kytkettynä ajettaessa.

TPL:n ja TPR:n vaihtoehdot

Torsen ja viskokytkin ovat tasauspyörästön luistonrajoittimen vaihtoehtoja. Itse asiassa niissä koko tasauspyörästön rakenne on erilainen. Alla olevassa videossa on animaatio Torsenista.

Joidenkin autojen kykyä edetä haastavammilla alustoilla ei paranna lainkaan tasauspyörästöön liittyvä mekanismi, vaan pyörien sutimista hillitsee auton liukasjärjestelmä. Se voi vähentää pyörän sutimista jarruttamalla sitä ja jakamalla siihen vähemmän vääntöä. Esimerkiksi vuonna 2012 alkaneessa Ford Rangerin sukupolvessa liukasjärjestelmän off-road-tila on korvannut lava-autossa aiemmin olleen tasauspyörästön luistonrajoittimenkin.

5 vastausta artikkeliin “Tasauspyörästöt”

  1. Kysymys: Kaverilla on myytävänä chrysler grand Voyager. Koska autolla on 8-istuinta ( isolle perheelle auto ) ja ajettu 508tkm 2.5 Diesel vuodelta 2000 malli… Kysyin jos oli tehty jakopään hihnat ja vesipumppua remontti? Hän kertoi että ei tarvitse olleenkaan! Onko se mahdollista? Jos niin voisi olla onko järkevä ostaa auton? Se on kuulema toimiva menopeli katsastettu ilmastoitu, vakionopeudensäätö, manuali vaihteisto, sähköiset ikkunat… Hän haluaa 1300€… Voisitko ensin selittää miksi tämä yksilö ei ole hihnaa eikä ketjua? Onko turvallinen sitä systeemiä? Kiitos etukäteen vastausta ja neuvosta.
    Alessandro

    1. Moi, ja kiitos kysymyksestä. En tunne Chryslereitä kovin hyvin enkä ylipäätään tiettyjen automerkkien ja -mallien vikoihin ole perehtynyt, mutta voin jotain koittaa vastata.

      Kyllä jakopän hihnat ja ketjut ovat kuluvia osia ja ne joskus tulee vaihtaa. Ketjut kestävät pidempään kuin hihnat. Ilmeisesti 2,5-litraisessa dieselmallissa on hihna ja eiköhän sen vaihtoväli ole luokkaa 100 000 km. En ole siis näistä varma.

      Vesipumppukin on vaihdettava muutaman kerran auton elinkaaren aikana. Se kannattaa vaihdattaa jakopään hihnan tai ketjun vaihdon yhteydessä, koska silloin puretaan autoa muutenkin ja pumpusta ei kovin suurta lisälaskua tule.

      Kannattaa siis selvittää, milloin Chryslerin hihna tai ketju on vaihdettu ja onko pumppu vaihdettu. Eiköhän noilla kilometreillä hihnan vaihtoja kuulu jo jokunen ollakin. Jos vaihdosta on paljonkin kilometrejä, koittanee senkin vaihto pian ja auton hintaan saa lisätä äkkiä 300-500 euroa.

      Nettikeskustelujen perusteella nimenomaan manuaalivaihteinen, dieselmoottori-Chrysler ei ole luotettava. Tuossakin mainitsemassasi autossa on jo rutkasti kilometrejä vieläpä. En välttämättä itse maksaisi yli 1 000:a euroa.

  2. ” Kun pyörimisnopeudessa on eroa kaarteessa ajettaessa, toisen kytkinpakan kytkinlevyt luistavat. Aina, kun molemmat kytkinlevyt ovat lukittuneet eli akseli on kiinteä, jakautuu vääntöä enemmän pitävään pyörään – siis aivan kuin lukitussa tasauspyörästössä. ”

    Ei valitettavasti aina ole niin. Vääntöä menee aina enemmän hitaammin pyörivälle pyörälle, vaikka sillä olisi vähemmän pitoa. Näin käy esim ajettaessa kaarteessa sisemmät pyörät lumella ja ulommat paljaalla asvaltilla, jos kaasua ei paineta niin paljon että sutiva sisempi pyörä pyörii ulompaa nopeammin. Sama ongelma lukitsematonta ja vapaata perustasauspyörästöä huonommasta momentin jakautumasta koskee niin TPR, TPR kuin Torseniakin. Vain elektroniikan aiheuttama sisemmän pyörän jarrutus auttaa paremman vedon muodossa. Torsen siis jakaa sisemmän pyörän momentin bias suhteella ja laittaa sen verran ulommalle, eli vähemmän pitävälle. Tilanne kääntyy vasta, kun sisempi saavuttaa ulomman vauhdin. Luistonrajoittimilla tarvitaan sisemmälle vielä suuremmat kierrokset nopeuseroa tuottamaan.
    Tilanne tietysti muuttuu noilla kaikilla jos sisemmän pyörän annetaan sutia reilusti kaasua painamalla, ellei elektroniikka sitä estä. Pitoa saadaan kuitenkin silloin vain luistavan sisemmän pyörän vedon + ulomman vedon verran, eli vähemmän kuin jos sutiminen estetään jarruttamalla ja jakautuma on ideaalista.

    ”Koska kytkinlevyjen lukittuminen riippuu kotelopyörien akselin pyörimisestä, ja sen pyörimiseen vaikuttaa sekä kiihdyttäminen että jarruttaminen, ei TPR kuitenkaan toimi normaalisti kaarteessa, jos samaan aikaan kiihdyttää tai jarruttaa. Jos näin tekee kaarteessa, akseli lukittuu, jolloin joko pyörä tai kytkinlevyt luistavat.”

    Muuten oikein, mutta ei akseli lukitu, kun kytkinlevyt luistaa. Silloin vaan momentti jakautuu siten että hitaamin pyörivä saa enemmän.

    ”TPR:n heikkous TPL:ään nähden on se, että kun pyörä pyrkii pyörimään niin paljon nopeammin, että se voittaa kytkimien kitkan, lukitus tavallaan poistuu ja vääntö alkaa jakautua tasan ja sutiva pyörä katkaisee etenemisen.”
    Lukitus ei TPR:llä poistu, kun sitä ei ole koskaan ollutkaan. Vääntö ei ala jakautua tasan, mistähän olet moiseen käsitykseen päätynyt?
    Hitaammin pyörivän vääntö = nopeamman pyörivän vääntö + kytkimien kitkan vääntö, täysin riippumatta siitä luistaako ne kytkimet vai ei. Se joko riittää etenemiseen tai ei riitä, mutta luistaminen ei jakautumaa muuta kuin ehkä siten, että kitkapintojen lepokitkakerroin on liukukitkakerrointa suurempi. 50/50 tilaa ei luistavalla kytkimellä TPR:ssä voi saavuttaa.

    1. Luistonrajointinta käsittelevässä osiossa kerron lähinnä kytkinpakat sisältävästä luistonrajoittimesta, ja esimerkiksi Torsenin olen vain maininnut kirjoituksen lopussa. Tuollaisia kytkinpakkoihin perustuvia luistonrajoittimia on erilaisia – niin sanotusti 1-suuntainen, 1,5-suuntainen ja 2-suuntainen sekä elektroniikan ohjaama, ja ne esimerkiksi reagoivat eri tavalla ajettaessa kaarteessa ja samalla jarrutettaessa tai kiihdytettäessä. Kaikissa on kuitenkin ominaista pyrkimys erityisesti suoraan ajamisen tilanteissa yhtäältä akselin lukitsemiseen mutta toisaalta pyörimisnopeuksien eron sallimiseen. Akseli ei kieltämättä välttämättä täydellisesti lukitu, eli sinänsä ehkä käytän väärää ilmaisua, mutta joka tapauksessa päästään kohtalaisesti siihen tilanteeseen, että pitävällä pinnalla olevan pyörä saa vääntöä.

      Ylipäätään olet kiinnittänyt turhan paljon yksityiskohtiin huomiota. Artikkelin ajatus on yleistajuisesti esitellä laitteiden toiminnan periaate sekoittamatta lukijaa liialti sillä, mitä voi tapahtua tilanteen miljoonassa eri variaatiossa. Ei hitto. Juuri tällaisen takia minun olisi pitänyt välttää sanan aina kaltaisen sanoja käyttämistä ja kylvää enemmän yleensä ja usein kaltaisia sanoja.

      Tuo väite siitä, että vääntöä menee aina hitaammin pyörivälle pyörälle, vaikka sillä olisi vähemmän pitoa, kaipaa nyt esimerkkejä tai linkin vaikka väitteen perustelevaan sisältöön. En minä sitä lähde kiistämään, mutta enpä ole myöskään siihen törmännyt opiskellessani voimansiirtoon liittyviä asioita.

  3. Laitan vielä Torsenista numeerisen esimerkin 2 pyörävetoiselle kaarreajossa pyörät erilaisilla pinnoilla:
    Bias suhde = 3, ei elektroniikan puuttumista asiaan.
    Oletetaan, että pitoa on luistamattomalla pyörällä lumella 300N ja luistavalla 240N.
    Kun sisäkaarteen pyörä lumella pyörii pitävällä olevaa ulkokaarteen pyörää hitaammin, saa ulkokaarteen pyörä vetovoimaa 300N / 3 = 100 N jos sisempi ei luista, ja 240N / 3 = 80 N jos se luistaa. Yhteensä vetopitoa on siis luistamattomassa tilanteessa 300N + 100N = 400N
    ja luistavassa 240N + 80N = 320 N.
    Jos sisäkaarteen pyörän annetaan saavuttaa ulkokaarteen pyörän kierrokset sutimalla, veto pitoa saadaankin 240N + 240N*3 = 240N sisemmälle + 720N ulommalle = 960N yhteensä.

    Mikäli sisempää pyörää jarrutetaan momentilla, mikä vastaisi 760N renkaan kosketuspinnalla, saadaan sutivalla sisemmällä pyörällä voimaa ulommalle pyörälle jopa (240N + 760N)*3 = 3000N. Yhteensä siis vetopitoa 3240N, kunhan sisemmän annetaan sutia samalla kierroksella kuin ulomman, ja ulomman pito riittää tällaisen voiman tuottamiseen. Jos jarrutus ei anna niin tapahtua, jäädään tästä jälkeen ja ero voi olla todella isokin.

    Ainoa jolla ei ole vastaavaa tilannetta on lukon käyttäminen, mutta silloin ABS tai ajonvakautus ei toimi ainakaan oikein, jos ollenkaan. Ihan perustasauspyörästöllä ja jarrutuksella päästään myös erittäin hyvään vetopidon tulokseen, jonka saa lasketuksi kun laittaa bias kertoimeksi 1 kolmen sijasta. Auton järjestelmien vaan pitää jarruttaa tarpeeksi sitä huonon pidon pyörää, ja silti mieluummin niin ettei se edes luista yhtään, jotta sinnekin saa esimerkin tapauksessa täydet 300N.
    AWD ja 4-vedot menee ihan vastaavasti, mutta laskenta tietysti mutkistuu.

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista. Pakolliset kentät on merkitty *

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.