Steuerungssysteme für die endgültigen Parameter der Flugbahn des Flugzeugs (Schub und Komponentenverhältnis)

Die Hauptaufgaben der Automatisierung von Flüssigtreibstoff-Raketentriebwerken und ihre Zusammensetzung

Regelung von Prozessen und Betriebsweisen von Flüssigtreibstoffmotoren

In einem Flüssigtreibstoff-Raketentriebwerk werden unabhängig vom Treibstoffversorgungssystem alle Vorgänge zur Wartung und Vorbereitung des Starts, der Start selbst, der Ausstieg und der Betrieb, das Herunterfahren und andere Vorgänge automatisch durchgeführt, d.h. ohne menschliches Eingreifen (bereitgestellt durch ein Automatisierungssystem).

Bei der Automatisierung von Flüssigtreibstoff-Raketentriebwerken gibt es drei Hauptfunktionen: Motormanagement, Regelung und Wartung. Im ersten Fall sorgt das automatische Kontrollsystem (ACS) dafür, dass jeder Vorgang ausgeführt wird, beispielsweise das Starten des Motors. Dabei wird der Motor durch striktes sequentielles Einschalten verschiedener Aggregate und Systeme in einen bestimmten Betriebsmodus „gebracht“. Im zweiten Fall sorgt das automatische Kontrollsystem (ACS) für die Aufrechterhaltung und Änderung beliebiger Parameter, beispielsweise des Schubwerts, nach einem vorgegebenen Programm. Im dritten Fall schließlich muss das Automatisierungssystem für die Motorwartung sorgen, beispielsweise vor dem Start die Füllung flüssiger und gasförmiger Komponenten sowie deren Druck überwachen , Position und Zustand verschiedener Aggregate, Elemente und Systeme des Motors und deren Startbereitschaft usw.

Von all diesen Automatisierungsfunktionen sind seine unmittelbaren Aufgaben:

1) Regulierung und Änderung von Schubwerten und Komponentenverhältnissen;

2) Kontrolle der Start- und Stoppvorgänge;

3) Steuerung und Regelung des Betriebs von Tankdrucksystemen;

4) Steuerung des Betriebs des Schubvektor-Steuerungssystems;

5) Gewährleistung der Kontrolle und Verwaltung des Betriebs des gesamten Motors als Ganzes.

Mit herkömmlichen Methoden zur Steuerung der Bewegung des Massenschwerpunkts des Flugzeugs ist es nicht möglich, das Flugzeug mit der erforderlichen Genauigkeit an den Endpunkt des aktiven Teils der ballistischen Flugbahn zu bringen. Mit der üblichen Methode meinen wir die Bildung des erforderlichen Schubimpulses eines Flüssigtreibstoff-Raketentriebwerks durch genaue Dosierung der Triebwerksbetriebszeit. Es wird davon ausgegangen, dass der Schub über die Zeit konstant bleibt. Die letzte Annahme für Flüssigtreibstoff-Raketentriebwerke ist nicht erfüllt, da sich Druck und Temperatur der Umgebung erheblich ändern, wenn sich das Flugzeug vom Niveau der Erdoberfläche auf die erforderliche Flughöhe bewegt. Motorregelkreise können diese Änderungen nicht kompensieren, da sie Änderungen der Umgebungsbedingungen nicht berücksichtigen. Um die erforderliche Genauigkeit der Bewegungsparameter des Flugzeugs am Ende des aktiven Teils der Flugbahn sicherzustellen, werden spezielle Steuerungssysteme zur Steuerung der endgültigen Parameter der Flugbahn des Flugzeugs eingesetzt. Die endgültigen Parameter der Flugbahn der aktiven Flugphase ballistischer Flugzeuge und Raumfahrzeugträger sind: Flugzeuggeschwindigkeit am Ende der aktiven Flugphase V zu ;Endmasse des Flugzeugst zu Und Neigungswinkel der Längsachse des Flugzeugs in Bezug auf die Horizontlinie an einem bestimmten Punkt auf der Erdoberfläche θ zu , siehe Abb. 6.1.

Der erforderliche Neigungswinkel der Flugzeuglängsachse wird durch ein autonomes Bewegungssteuerungssystem relativ zum Massenschwerpunkt des Flugzeugs mithilfe eines Schubvektorsteuerungssystems bereitgestellt.

RKS-System (Scheingeschwindigkeitsregelung). Scheingeschwindigkeits- und Endmassenkontrollsysteme für Flugzeuge steuern die Triebwerksparameter auf der Grundlage der Bewegungsparameter des Flugzeugs.

Eine direkte Messung der Fluggeschwindigkeit von Flugzeugen unter Bedingungen variabler Umgebungsdichte ist nicht möglich. Die Messung der scheinbaren Längsbeschleunigung, die durch den Schub des Raketentriebwerks entsteht, ist jedoch beispielsweise mit einem Beschleunigungsmesser möglich. Flugzeuggeschwindigkeit, bestimmt als Integral der Längsbeschleunigung über die Zeit, angerufen scheinbare Geschwindigkeit. Die scheinbare Geschwindigkeit wird verwendet, um am Ende der aktiven Flugphase des Flugzeugs im RCS-System die erforderliche Endgeschwindigkeit sicherzustellen. Das schematische Diagramm dieses Systems ist in Abb. dargestellt. 6.2.

Nach der Integration des Signals des scheinbaren Beschleunigungsmessers zu jedem Zeitpunkt wird die tatsächliche Geschwindigkeit der Längsbewegung des Flugzeugs bekannt V Tatsache. Dem Vergleichselement, das ein berechnetes Programm zur Änderung der Geschwindigkeit enthält, werden Informationen über die tatsächliche Geschwindigkeit des Flugzeugs zugeführt V-Prog im aktiven Flugbereich des Flugzeugs. Der Vergleich der berechneten und tatsächlichen Geschwindigkeit, die dem Eingang des Vergleichselements zugeführt wird, erzeugt an seinem Ausgang ein Fehlersignal

Reis. 7.2. Funktionsdiagramm des Geschwindigkeitsregelsystems (RCS)

Nach der Verstärkung wird das Fehlanpassungssignal von einem umkehrbaren Elektromotor in eine Winkeldrehung seines Rotors umgewandelt. Der Rotor des Elektromotors ist mit einer Drossel verbunden, die in der Fernbedienung den Fluss des Arbeitsmediums zur Turbinenpumpe dosiert. Abhängig vom Vorzeichen der Geschwindigkeitsabweichung öffnet oder schließt sich die Drosselklappe um einen Betrag, der dem Modul des Abweichungssignals entspricht. In diesem Fall ändert sich der Kraftstofffluss in die Kammer und damit der Triebwerksschub aufgrund einer Änderung der Drehzahl des THA-Rotors. Eine Änderung des Triebwerksschubs führt zu einer Änderung der Beschleunigung des Flugzeugs und damit der scheinbaren Geschwindigkeit. Durch den anschließenden Vergleich mit dem Wert der Programmgeschwindigkeit können Sie die Aktionen des Systems bewerten und ein neues Korrektursignal generieren. Dann wird der gesamte Zyklus des Informationsaustauschs zwischen Systemelementen wiederholt. Die Funktionslogik des RCS hängt wie bei jedem Rückkopplungskontrollsystem von der Erfüllung der Bedingung ab ΔV→0. Der Durchgang von Systemsignalzyklen durch seine realen Elemente geht jedoch immer mit sowohl dynamischen als auch statistischen Fehlern einher. Dadurch ist es für ein reales System unmöglich, sein Berechnungsprogramm genau zu kopieren. Wenn der Gesamtfehler bei der Einhaltung der tatsächlichen Geschwindigkeit seines Entwurfsprogramms innerhalb akzeptabler Grenzen (3 ÷ 5 %) liegt, gilt das System als geeignet für die Ausführung der ihm zugewiesenen Funktionen. Das RKS-System beendet seine Arbeit, sobald die tatsächliche Geschwindigkeit im Rahmen zulässiger Abweichungen der endgültigen Programmgeschwindigkeit entspricht V zu. In diesem Moment generiert das RKS-System einen Befehl zum Stoppen der Motoren, der unter Umgehung des Regelkreises direkt an die Hauptkraftstoffventile weitergeleitet wird, die die Kraftstoffzufuhr zur Motorkammer stoppen. Unter Berücksichtigung des Nachwirkungsimpulses und des zweistufigen Charakters des Stopps kann der Befehl zum Stoppen des Motors geringfügig früher generiert werden, als die tatsächliche Geschwindigkeit der endgültigen Auslegungsgeschwindigkeit entspricht.

Während des Betriebs des RCS-Systems kann es aufgrund der Hinzufügung externer Störungen mit internen Fehlern mit den gleichen Vorzeichen zu einer Situation kommen, in der das RCS dazu neigt, den Schub entweder deutlich zu reduzieren oder ihn übermäßig zu erzwingen. Um solche Situationen zu vermeiden, liefert das RKS-System über einen Drucksensor (PD) in der Triebwerkskammer eine interne Rückmeldung an die Kammer, mit deren Hilfe die Wirkung des Systems nur auf den Bereich zulässiger Abweichungen des Triebwerksschubs beschränkt wird .

TSO-System (Tankentleerungssystem) Das Kontrollsystem für die endgültigen Parameter der Flugbahn des Flugzeugs muss außerdem sicherstellen, dass die endgültige Masse des Flugzeugs nahe an der berechneten liegt. Beim Befüllen von Tanks mit Treibstoff sind Fehler immer vorprogrammiert: 1) Eine Unterfüllung des Treibstoffs ist grundsätzlich inakzeptabel, da dies zur Nichterfüllung des Flugprogramms führt, und 2) Bei einer Überfüllung mit Treibstoff kommt es garantiert zu Treibstoffrückständen in den Tanks, verursacht durch mechanische und thermisch unzureichende Treibstoffaufnahme, muss nach Betriebsende der Antriebsanlage gewährleistet sein. . Der Einfluss von Änderungen der Kraftstofftemperatur im Flug (z. B. durch aerodynamische Erwärmung), der Beschleunigung des Flugzeugs, die zu einer Änderung des Verhältnisses der Kraftstoffkomponenten führt, und Änderungen der hydraulischen Eigenschaften von Kraftstoffpfaden während des Flugs (z. B. Änderungen der Widerstände von Kühlpfaden), Fehler in automatischen Kraftstoffdosierern und andere Faktoren erfordern eine zusätzliche Kraftstoffzufuhr. Die scheinbar offensichtliche einfache Lösung, beim Start Treibstoff mit einer Reserve einzufüllen und ihn beim Abstellen des Triebwerks über Bord des Flugzeugs abzulassen, ist derzeit inakzeptabel, da der Treibstoff an Bord des Flugzeugs zum Zeitpunkt des Abschaltens des Antriebssystems abnimmt der Preis für die Nutzlast des Flugzeugs. Eine andere naheliegende Lösung besteht darin, überschüssigen Treibstoff beim Start zu bewerten und ihn beim Abheben des Flugzeugs von der Startrampe abzulassen, was ebenfalls inakzeptabel ist, da dies keine Garantie für unvorhergesehene Situationen eines möglichen übermäßigen Treibstoffverbrauchs des Triebwerks während des Fluges darstellt das Flugzeug und gefährdet somit die Leistung des Flugauftrags des Flugzeugs. Eine funktionierende Lösung des Problems liegt zwischen den beiden oben genannten extrem offensichtlichen (auf den ersten Blick) Lösungen, um sicherzustellen, dass die Endmasse des Flugzeugs nahe an der berechneten Masse für jedes Antriebssystem der gesamten Serie liegt.

Abb.6.3. Funktionsschema des Tankentleerungssystems

Als Informationsquelle über den Überlauf von Kraftstofftanks und die tatsächliche Bewertung seines Verbrauchs durch den Motor verwendet das ESS diskrete Kraftstofffüllstandsmesser, die in den ferngesteuerten Tanks installiert sind. Signale für die Position des Kraftstofffüllstands in Tanks h o Und h r werden einem Level-Mismatch-Sensor (LMS) zugeführt, mit dessen Hilfe deren Differenz ausgewertet wird Δh=h o -h r. Der erkannte Füllstandsunterschied wird nach Verstärkung und Umwandlung der Signale in Maschinencode an einen Bordcomputer (ONC) gesendet, der anhand der Größe des Pegels das Problem löst, welches Tankentleerungsprogramm gerade ausgeführt werden muss tatsächliche Füllstandsabweichung in den Treibstofftanks, unter der Bedingung, dass diese Abweichung bis zum Ende der aktiven Flugphase des Flugzeugs beseitigt sein muss. Unter dieser Bedingung verbleiben am Ende der Betätigung der Fernbedienung garantiert berechnete Kraftstoffreste in den Tanks. Als Ergebnis der Analyse der tatsächlichen Füllstandsabweichung generiert der Bordcomputer ein Befehlssignal.

Nach der Verstärkung wird dieses Signal von einem umkehrbaren Elektromotor in eine Winkeldrehung der Drossel umgewandelt, die an einer der Kraftstoffversorgungsleitungen zur Kammer (an der Oxidationsmittelversorgungsleitung) installiert ist. Nehmen wir das im ersten Moment an τ o Zu Beginn registrierten Füllstandssensoren einen Überschuss an Oxidationsmittel Δh o.Anfang(Abb. 6.4). Als Reaktion auf diese Informationen plant der Bordcomputer ein Programm zum Entleeren des Oxidationsmitteltanks entlang der Leitung 1. Wenn im nächsten Zeitintervall für den Empfang von Informationen τ 1 Wird das vorgesehene Programm befolgt, bleibt dieses erhalten.

Abb.7.4. Funktionsprinzip des Tankentleerungssystems

Wenn im darauffolgenden Zeitintervall für den Empfang von Informationen τ 2 Wenn eine Abweichung von einem vorgegebenen Programm festgestellt wird, erfolgt entsprechend dem tatsächlichen Zustand eine zeitweilige Nichtübereinstimmung des Niveaus τ 2 Es wird ein neues Programm 2 entwickelt, nach dem die Drossel an der Oxidationsmittelleitung in eine neue Position gebracht wird. Wenn der Vorgang des Entleerens der Tanks ab dem Moment erfolgt τ 2 Wenn der Kraftstoff unkontrolliert bleibt, kann es am Ende des Fernbedienungsvorgangs zu einem erheblichen Überschuss des verbleibenden Kraftstoffs im Kraftstofftank kommen (gestrichelte Linie 2").

Wenn während des Zeitintervalls τ 3 Wenn der Bordcomputer Informationen erhält, wird das neue Programm zum Entleeren der Tanks 2 gespeichert, es werden dann keine Änderungen an der Bedienung der Fernbedienung vorgenommen.

Folgt der tatsächliche Tankentleerungszustand nicht dem vorgesehenen Programm, so ändert sich das Tankentleerungsprogramm flexibel und stellt eine endliche Summe von Programmen dar (siehe den gestrichelten Pfad in Abb. 6.4).

Als Ergebnis der Arbeit des SSB werden die oben formulierten Grundsätze zur Lösung des Problems der Sicherstellung der Endmasse eines Flugzeugs umgesetzt.

Das Hauptmerkmal des betrachteten endlichen Gewichtskontrollsystems für Flugzeuge besteht darin, dass überschüssiger Treibstoff aus den Tanks durch die Triebwerkskammer „abgelassen“ wird, wodurch sich das Verhältnis der darin enthaltenen Treibstoffkomponenten ändert. Natürlich trägt dieser Umstand nicht dazu bei, den optimalen Wert des Verhältnisses der Kraftstoffkomponenten, der dem maximalen spezifischen Impuls des Triebwerksschubs entspricht, strikt einzuhalten. Aus der allgemeinen Triebwerkstheorie ist auch bekannt, dass im Bereich des Extremums des spezifischen Schubs eines Raketentriebwerks dessen Verhältnis zum Verhältnis der Treibstoffkomponenten sanft ist. Daher ist es ohne große Beeinträchtigung des spezifischen Schubimpulses möglich, das Verhältnis der Kraftstoffkomponenten innerhalb von 3 ÷ 5 % seines optimalen Wertes zu ändern.

Stabilisierung der Position der Flugzeugachsen im Raum und im Winkel θ zu während der letzten Phase des aktiven Flugs des Flugzeugs werden von einem Schubvektor-Kontrollsystem bereitgestellt.

Gaslenkräder(Abb. 6.5, A), aus hitzebeständigem Graphit, ändern mithilfe einer Drehvorrichtung die Richtung des Gasstroms am Austritt aus der Triebwerksdüse. Der Nachteil dieser Methode besteht darin, dass die am Austritt aus der Düse in den Gasstrom eingebauten Ruder zum einen einen konstanten Widerstand gegen den Gasstrom erzeugen . Darüber hinaus brennt beim Motorbetrieb zweitens die Oberfläche der Gasruder auf etwa die Hälfte ihrer ursprünglichen Größe aus.

Dieser Nachteil kann durch den Einbau von Randrudern am Düsenaustritt vermieden werden (Abb. 6.5, B), die den Schubvektor steuern, indem sie die Schildoberfläche des Lenkrads in den Gasstrom am Ausgang der Triebwerksdüse eintauchen. In der Neutralstellung erzeugen die Randruder keinen Widerstand gegen den Gasstrom.

Drehen Sie die Kamera oder Düse. Anstatt die Kamera zu drehen, kann nur die Motordüse gedreht werden (Abb. 6.5, V) oder ein toroidaler Deflektor, der am Düsenausgang installiert ist (Abb. 6.5, G), oder Drehung der Düse mit Schrägschnitt (Abb. 6.5, D).

Reis. 6.5. Mögliche Methoden zur Steuerung des Schubvektors eines Raketentriebwerks

Gasinjektion in den überkritischen Teil der Düse. Besonders hervorzuheben ist die Methode zur Änderung des Schubvektors durch Einblasen von Flüssigkeit oder Gas in den überkritischen Teil der Düse (Abb. 6.5, e). Die Flüssigkeit (oder das Gas) wird in einen Zylinder 1 gefüllt und gelangt auf Befehl des Steuersystems über Ventile 2 mit leichtem Überdruck schräg in den sich erweiternden Teil der Düse 3 α. In der Nähe der Düsenwand, an der Grenze der Überschallströmung und der Dampfphase der Flüssigkeit 4 (oder des Gases), entsteht eine Stoßwelle 5. Hinter der Stoßwelle bildet sich ein Bereich erhöhten Drucks (in Abb. 6.5, e Zeitplan Р с =f(l c)), wobei der Gasstrahl zur Düsenachse hin abgelenkt wird, was zu einer Ablenkung des gesamten Gasstroms und damit zu einer Exzentrizität des Düsenschubs entgegen der Ablenkung des Gasstroms führt. Wenn 1 % des Flüssigkeitsdurchsatzes im Verhältnis zum gesamten Gasdurchsatz durch die Düse eingespritzt wird, entsteht eine Querschubkomponente von 0,5 % des gesamten Längsschubs des Triebwerks. Somit wird die Injektion von Gas oder Flüssigkeit in den überkritischen Teil der Düse zur präzisen (präzisen) Steuerung des Schubvektors genutzt.

Eine weitere vielversprechende Methode besteht darin, den Schubvektor durch Umverteilung des Treibstoffverbrauchs zwischen fest am Flugzeug angebrachten Kameras in einem Mehrkammer-Antriebssystem zu steuern. Die weit verbreitete Anwendung dieser Methode wird jedoch durch die technischen Schwierigkeiten bei der Implementierung von Reglern zur Umverteilung des Kraftstoffverbrauchs bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung des Verhältnisses der Kraftstoffkomponenten, der Organisation ihrer Interaktion mit den RKS- und SOB-Systemen und der gleichzeitigen Begrenzung der Änderungstiefe erschwert die Betriebsarten der Motorkammern.

Um den Schubvektor in einem Feststoffraketentriebwerk zu steuern, ist es unpraktisch, das gesamte Triebwerk in einer Aufhängung zu montieren (mit der möglichen Ausnahme von Nonius-Triebwerken), was den Konstrukteuren zur Verfügung steht

Reis. 117. Düsentrimmer

Es bleiben folgende Lösungen: Einbau mechanischer Steuerflächen in die Düse, die den Gasstrahl ablenken, Drehung der Düse oder eines Teils davon, Sekundäreinspritzung und Einsatz zusätzlicher Steuerdüsen (ähnlich wie bei einer Flüssigkeitsrakete). Motor).

Zu den mechanischen Steuerflächen gehören neben den oben besprochenen Gasrudern und Deflektoren auch die in Abb. gezeigten verschiebbaren und drehbaren Trimmklappen. 117. Die Wirkung ablenkender Oberflächen auf einen Gasstrahl kann anhand der Theorie der Überschallströmung um ein Tragflächenprofil näherungsweise berechnet werden, aber um genaue Werte der Steuerkraft (Komponente der Schubkraft senkrecht zur Triebwerksachse) zu erhalten, hängt davon ab Um die Größe der Auslenkung zu bestimmen, sind Messungen erforderlich. In der Arbeit wird berichtet, dass Düsen mit einer solchen Gasstrahlsteuerung es ermöglichen, mit guter Reproduzierbarkeit maximale Querkräfte zu erzielen, die die axiale Schubkomponente erreichen. Trotz der Tatsache, dass die Steuerung des Schubvektors mithilfe sich bewegender mechanischer Oberflächen zu Schubverlusten aufgrund zusätzlichen Widerstands führt und sorgfältige Entwicklungs- und Technologiearbeiten erfordert, um ihre Festigkeit und Integrität unter Bedingungen hoher dynamischer Drücke, Temperaturen und Wärmeströme sicherzustellen, sind sie wurden erfolgreich in Raketen wie Polaris und Bomark eingesetzt.

Rotationsdüsen bieten die effizienteste mechanische Steuerung des Gasstrahls, da sie keine nennenswerte Schubreduzierung bewirken und hinsichtlich der Masseneigenschaften konkurrenzfähig sind. Ein Beispiel für den Einsatz einer solchen technischen Lösung ist der Zusammenbau von vier rotierenden Düsen mit Kardan- und Kugelgelenk, der in der ersten Stufe der Minuteman-Rakete verwendet wird.

Das System ermöglichte die Steuerung des Schubvektors in der Gier-, Nick- und Rollebene ohne nennenswerte Schubverluste, und der Ablenkwinkel des Gasstrahls hing linear von der Drehung des Düsenblocks ab.

Eine weitere Verbesserung der Schubvektorsteuerungsmethoden ist mit moderneren Systemen verbunden, die den Einsatz eines Kardanrings und beweglicher heißer Metallteile in der Düse des Feststoffraketentriebwerks überflüssig machen. Zu diesen Schemata gehören: a) ein Düsenaufhängungssystem vom Typ „Techrol“, das für Festtreibstoffmotoren interorbitaler Schlepper entwickelt wurde (siehe Abb. 148 in Kapitel 11); b) das Schubvektor-Steuerungssystem, das im Beschleunigermodul-Triebwerk mit einer Düse an einer Scharnieraufhängung verwendet wird (siehe Abb. 150 in Kapitel 11); c) das Düsenmontageschema auf einem flexiblen Träger, der im Feststoffbeschleuniger Space Shuttle VKS verwendet wird. Schauen wir uns das letzte Schema genauer an.

In Abb. In Abb. 118 zeigt die hintere Baugruppe der TTU und zeigt die Position der Einheiten des Schubvektorkontrollsystems, und in Abb. 119 zeigt den Aufbau der flexiblen Düsenverbindungsbaugruppe. Die Verbindungseinheit ist eine Hülle aus flexiblem elastischem Material mit 10 Stahlringdichtungen mit bogenförmigem Querschnitt. Der erste und der letzte Verstärkungsring sind am stationären Teil der Düse befestigt, der mit dem Motorgehäuse verbunden ist. Die Rotationsdüsenantriebe werden von einem Hilfsaggregat angetrieben. Es besteht aus zwei separaten Hydraulikpumpeneinheiten, die hydraulische Energie auf die Arbeitsservozylinder übertragen, wobei eine für die Drehung der Düse in der Gleitebene und die andere in der seitlichen Rotationsebene sorgt (Abb. 120). Fällt eine der Einheiten aus, wird die hydraulische Leistung der anderen erhöht und diese verstellt die Düsenauslenkung in beide Richtungen. Von der Beschleunigertrennung bis zum Eintritt ins Wasser halten die Aktuatoren die Düse in einer neutralen Position. Die Servozylinder sind in einem Winkel von 45° zur Nick- und Gierachse des Flugzeugs nach außen ausgerichtet. Beachten Sie, dass das Hilfsaggregat, das die Antriebe des Schubvektorkontrollsystems im betrachteten Feststofftreibstoffmotor antreibt, mit flüssigem Einkomponentenbrennstoff – Hydrazin – betrieben wird, der in einem Gasgenerator an einem Katalysator in Form von Aluminiumpellets katalytisch zersetzt wird mit Iridium beschichtet.

10.3.1. SEKUNDÄRE EINSPRITZUNG

Ende der 1940er Jahre wurde ein Verfahren zum Einspritzen eines Hilfsarbeitsstoffs in eine Feststofftreibstoffdüse zur Steuerung des Schubvektors vorgeschlagen. und begann in Serienflugzeugen eingesetzt zu werden

Geräte in den frühen 1960er Jahren. Zu den für diese Zwecke verwendeten Substanzen gehören inerte Flüssigkeiten wie Wasser und Freon-113 sowie Flüssigkeiten, die mit Wasserstoff in Verbrennungsprodukten und Zweikomponentenkraftstoffen (z. B. Hydrazin) interagieren

Reis. 121 veranschaulicht den Mechanismus des Injektionseinflusses auf das Strömungsfeld in der Düse. Neben der Tatsache, dass die eingespritzte Flüssigkeit einen Teil der Abgase ersetzt, führt die Einspritzung zur Bildung eines Stoßwellensystems (Trennstoß und induzierter Bugstoß). Die laterale Komponente der Reaktionskraft entsteht durch zwei Effekte: erstens durch den Impulsfluss des durchgespritzten Stoffes

Reis. 118. (siehe Scan) Untere Baugruppe des Feststoffbeschleunigers Space Shuttle VKS – Stromkabel (12 Stk.); 2 - Stützrahmen; 3 - Schubvektorkontrollsystem (2 Stk.); 4 - Gargrotte; 5 - vorderer Düsenblock; 6 - Feststoffladung; 7 - Andockrahmen; 8 - Telemetrie-Geräteeinheit; 9 - Verbandringe; 10 - Motoren des TTU-Trennsystems (4 Blöcke); Hitzeschild.

(Klicken Sie hier, um den Scan anzuzeigen)

Reis. 121. Sekundärer Injektionsmechanismus. 1 - Grenzschicht; 2 - Trennungssprung; 3 - getrennte Strömungsgrenze; 4 - Einspritzloch; 5 - Kopfstoßwelle; 6 - Grenze der Injektionszone.

Loch, führt zum Auftreten einer seitlichen Reaktionskraft; zweitens entsteht eine zusätzliche seitliche Kraft aufgrund einer Änderung der Druckverteilung an der Düsenwand. Der zweite Effekt erhöht die Nebenkomponente im Vergleich zu dem Fall, dass die Flüssigkeit direkt in die umgebende Atmosphäre und nicht in diese injiziert wird. Beim Einblasen in eine Düse wurde beispielsweise ein Anstieg der Seitenkraft um das 2- bis 3-fache beobachtet. Die Wirksamkeit eines solchen Schubvektorkontrollsystems in der Gier- und Nickebene für ein Feststoffraketentriebwerk mit einer zentralen Düse hängt von der Lage der Einlassöffnung und der Durchflussrate der eingespritzten Substanz ab. Die Größe der lateralen Komponente beim Einspritzen eines Gases in eine Düse oder beim Einspritzen einer nicht verdampfenden Flüssigkeit kann auf andere Weise (anders als in Abschnitt 10.2 beschrieben) berechnet werden, indem die Form der Grenzfläche zwischen den eingespritzten Substanzen angenähert wird und die Hauptströmung durch einen Halbzylinder mit halbkugelförmiger Basis.

Von der Seite der Hauptströmung wirkt eine Druckkraft auf diese Oberfläche, parallel zur Wand und proportional zum Radius des Zylinders, dem durchschnittlichen statischen Druck im Kern der Strömung. Unter Vernachlässigung von Verdunstung, Vermischung und viskosen Kräften an der Grenzfläche schreiben wir die Gleichgewichtsbedingung zwischen dem Impulsfluss der eingespritzten Flüssigkeit parallel zur Wand und der Druckkraft:

wobei die Strömungsgeschwindigkeit (als gleich der asymptotischen Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit parallel zur Wand betrachtet) asymptotisch ist

Geschwindigkeit der injizierten Substanz. Geht man davon aus, dass durch isentrope Ausdehnung der Flüssigkeit vom Staudruck zum Druck etwas erreicht wird, dann handelt es sich um einen bekannten Parameter, der nur von den thermodynamischen Eigenschaften des eingespritzten Stoffes abhängt. Somit,

Die Kraft senkrecht zur Wand besteht aus drei Komponenten: 1) Normalgeschwindigkeit am Ausgang des Einlasslochs), 2) der Differenz zwischen den Druckkräften am Auslass des Lochs bei Vorhandensein und Fehlen einer Injektion und 3) der Differenz zwischen dem Integral über die Innenfläche der Düse aus dem Druck auf die Wand mit und ohne Einspritzung. Bei ausreichend kleinen Düsenwinkeln hat der Ausdruck für die Seitenkraft die Form

wobei avyh der Halbwinkel der Düsenaustrittsglocke ist, ein dimensionsloser Koeffizient, der von den geometrischen Eigenschaften der Düse, der Position des Einlasses und dem Verhältnis der spezifischen Wärmekapazitäten des Stoffes im Abgasstrom abhängt. Die Berechnung mit dieser Formel stimmt gut mit experimentellen Daten überein.

Wenn eine Kontrolle des Schubvektors in der Rollebene erforderlich ist, können Sie zwei Düsen verwenden oder ein Paar dünne Längstrennrippen in den Auslassstutzen einbauen und Flüssigkeit durch die entsprechenden Löcher einspritzen. Aus Abb. In Abb. 122 ist zu erkennen, dass die Löcher die Kontrolle über die Neigung, die Löcher für die Gierung und die Gelenkinjektion bzw. das Rollen ermöglichen. In einem Windkanal mit Wasser als eingespritzter Flüssigkeit wurde eine parametrische Untersuchung der Druckverteilung in einer solchen Düse und ihrer Änderungen in Abhängigkeit vom Verhältnis der Sekundär- und Hauptströmungsraten sowie der optimalen Position der Einlasslöcher für die Sekundärströmung durchgeführt Injektion bestimmt. Diese Ergebnisse wurden dann genutzt, um ein spezielles Gerät zu entwickeln, in dem eine kleine Ladung Monotreibstoff auf PCA-Basis verbrannt und Freon-113 in die Düse injiziert wurde (Abb. 123). Der Motor war in zwei Präzisionslagern eingebaut, so dass er sich frei (ohne Reibung) in der Rollebene bewegen konnte. Das Drehmoment wurde mithilfe zweier Balken gemessen, die senkrecht zur Adapterkupplung an der vorderen Unterseite des Feststoffraketenmotors angeschweißt waren. Die Balken waren fest im Ständer verankert und wurden bei Einwirkung eines Drehmoments auf Biegung beansprucht. Messbrücke mit Dehnungsmessstreifen,

Reis. 122. Schematische Darstellung der zentralen Düse eines Feststoffraketentriebwerks, die eine Steuerung entlang dreier Achsen ermöglicht.

Auf die Balken gelegt, gab es ein Signal ab, das proportional zum Moment variierte.

Die in Abb. dargestellten Ergebnisse sind 124 zeigen, dass die Position der Einlasslöcher für die injizierte Substanz kaum Einfluss auf das Drehmoment hat und nur Abweichungen von 10–15 % ergibt (dies ist nicht überraschend, da die Position der Löcher auf der Grundlage von Tests mit einem kalten Arbeitsmedium ausgewählt wurde). ) und die Verringerung des spezifischen Impulses aufgrund

Reis. 123. Installationsdiagramm der Bank.

Reis. 124. (siehe Scan) Experimentelle Daten zur Abhängigkeit des Verhältnisses von Drehmoment zu Schub (a) und spezifischem Impuls und zusätzlicher axialer Komponente des Schubs (b) von der eingespritzten Durchflussrate.

Durch den Einbau von Längsrippen in die Düse wird dieser durch Flüssigkeitseinspritzung ausgeglichen und mit zunehmendem Flüssigkeitsstrom erhöht sich der spezifische Impuls.

Ein aktives Differenzial klingt verlockend, hochtechnologisch und etwas, das Sie beim Kauf eines Crossovers oder SUV kaufen möchten, aber was genau ist es, was macht es und ist es wirklich notwendig? Diesen wichtigsten Fragen geht ein Vergleichstest von Mitsubishi Outlander SUVs mit zwei unterschiedlichen Getrieben nach: mit konventionellem Differenzial und mit dem neuen aktiven S-AWC-Differential.

Für eine vergleichende Leistungsanalyse unter verschiedenen Bedingungen wurden zwei völlig identische Mitsubishi Outlander-Fahrzeuge herangezogen, mit dem einzigen Unterschied, dass ein Outlander vorne über ein traditionelles offenes Differential und der andere über ein aktives S-AWC-Differentialsystem verfügt ist seit Herbst 2014 in diesen Fahrzeugen verbaut. Crossover ausgestattet mit einem 3-Liter-Sechszylinder-Benzinmotor.

S-AWC ist ein intelligentes Allradantriebssystem, das von Mitsubishi entwickelt wurde. Ist eine Abkürzung der Phrase „ „Super All Wheel Control“, was übersetzt „Super-Level-Kontrolle aller Räder“ bedeutet.

Das S-AWC-System ist in Fahrzeugen der „Sport“-Konfiguration verbaut, die 20.000 Rubel teurer ist als die „Altimet“-Konfiguration. Fast dieser gesamte Betrag ist der Preis für das aktive Differenzial.

Unter normalen Bedingungen ist es sehr schwierig, den Unterschied im Verhalten dieser Autos mit unterschiedlichen Differenzialen zu erkennen, da er nur dann auftritt, wenn der Crossover seine Flugbahn und Richtungsstabilität verliert, wenn er beim Abbiegen den Bogen verlässt oder auf einer Straße mit einer sehr starken Spur manövriert ungleichmäßiger Haftungskoeffizient (z. B. Eis – Asphalt).

Outlander wechselt sich ab

Als erstes stand ein Kurventest auf einer normalen Asphaltoberfläche auf dem Programm. Zu Beginn dieses Tests scheint es, dass die Fahreigenschaften der Autos gleich sind, aber das ist vorerst so – sie wurden bei unterschiedlichen Geschwindigkeiten getestet! So zeigte sich bei einem Mitsubishi Outlander mit konventionellem Differenzial ab einer bestimmten Geschwindigkeit, und je höher diese war, desto deutlicher zeigte sich seine Art, die Kurvenbahn zu begradigen. Das heißt, je höher die Geschwindigkeit ist, mit der in eine Kurve eingefahren wird, desto stärker wird sie unter dem Einfluss der Zentrifugalkraft nach außen ausgelenkt.

Die Zentrifugalkraft ist eine fiktive Kraft, die durch die Trägheit eines Körpers in einem rotierenden Bezugssystem entsteht. Der Körper neigt dazu, sich gerade zu bewegen. Wenn er also zur Mitte hin „gedreht“ wird, tendiert er dazu, sich von dieser Mitte „wegzubewegen“.

Darüber hinaus hängt dieses Symptom nicht davon ab, ob sich die Frequenzweiche ohne Traktion oder mit gedrücktem Gaspedal bewegt. „Outlander“ mit aktivem S-AWC-Differenzial folgt einem vorgegebenen Weg viel bereitwilliger. Das beim regulären Outlander ausgeprägte Untersteuern ist in Neutralstellung übergegangen: Jetzt beginnt der Crossover sanft seitwärts zu rutschen, allerdings mit allen vier Rädern. Gleichzeitig bleibt sowohl die Flugbahn als auch die Richtungsstabilität erhalten. Tatsächlich wird sich dies in einer besseren Beibehaltung der Bewegungsbahn bei zunehmender Geschwindigkeit in Kurven niederschlagen, was bedeutet, dass der Fahrer eine größere Chance hat, auf seiner Spur zu bleiben, anstatt auf die Gegenfahrbahn oder in einen Graben zu fliegen.

Zu beachten ist, dass sich beide Frequenzweichen auch in den Einstellungen der Stabilisierungselektronik unterscheiden. Das Modell ohne S-AWC unterbricht bei einem plötzlichen Traktionsverlust einfach die Kraftstoffzufuhr und verhindert so, dass das Fahrzeug die Flugbahn des Fahrzeugs mithilfe der Traktion anpassen kann. Gleichzeitig entzieht der mit dem aktiven Differenzialsystem S-AWC ausgestattete Outlander das Motordrehmoment nicht vollständig, sondern begrenzt es nur. Dennoch wurde festgestellt, dass das Verhalten von Autos im Leerlauf unterschiedlich ist. In diesem Fall ist das aktive Differenzial nicht zugeschaltet (d. h. es wird keine Traktion auf die Vorderräder übertragen). Somit ist es offensichtlich, dass die neue Version umfassende Verbesserungen erhalten hat und nicht nur einen neuen Teil.

Kreisbewegung

Einer der Schritte zur Identifizierung der Unterschiede zwischen den „Outlanders“ bestand darin, sich in einem Kreis mit einem Durchmesser von 30 Metern zu bewegen, der mit Stangen markiert war. In einem regulären Mitsubishi Outlander, der mit einem elektronisch gesteuerten Allradantrieb ausgestattet ist, gibt es einen Schalter für drei Betriebsarten: Allradantrieb mit intelligenter Traktionsverteilung zwischen den Achsen (4WD Auto), Allradantrieb mit blockierter Kupplung (4WD). Lock) und Frontantrieb mit angeschlossener Hinterachse (4WD Eco). Der Schalter ist mit der Standardbezeichnung 4WD gekennzeichnet. Fahrzeuge, die mit dem S-AWC-Getriebe ausgestattet sind, verfügen über einen vierten Modus namens Snow, der elektronisch für optimale Traktion auf allen Rädern auf rutschigem Untergrund sorgt.

Bei einer Kreisfahrt blieb die Durchschnittsgeschwindigkeit bei beiden Varianten bei etwa 50 km/h. Wir haben die Bewegung in verschiedene Richtungen, mit unterschiedlichem Druck auf das Gaspedal und mit unterschiedlichen Zuständen des Stabilisierungssystems überprüft. Dadurch erwies sich der „aktive“ Outlander stets als etwas schneller – um den Bruchteil einer Sekunde, schaltet man aber das Stabilisierungssystem aus, vergrößert sich der Zeitabstand. Ja, der Abstand ist gering, aber der Fahrer, der am Steuer der getesteten Modelle sitzt, erlebt völlig andere Empfindungen. Wenn Sie einen normalen Outlander fahren, müssen Sie das Lenkrad auf den erforderlichen Lenkwinkel einstellen, das Gaspedal betätigen und das Lenkrad nicht betätigen. Sie kehrten zur vorherigen Flugbahn zurück; wenn es in einer Kurve zu einem Schleudern kam, half nur das Abbremsen, und Lenkradbewegungen führten zu nichts. Und das Stabilisierungssystem erlaubte keine Erhöhung der Geschwindigkeit. Ganz andere Empfindungen ergaben sich beim Fahren eines Crossovers mit aktivem Differential, das das Gefühl einer echten Kontrolle über ein Auto und nicht über einen Gaming-Roboter – einen Simulator – vermittelte. Wenn hier ein Schleudern auftritt oder eine Vorahnung seines Auftretens auftritt, müssen Sie nur das Lenkrad im erforderlichen Ausmaß drehen, das Gaspedal ein wenig betätigen und fertig – das Auto ist bereits auf der Flugbahn! Dadurch wird der Outlander mit aktivem S-AWC-Getriebe sicherer und berechenbarer zu fahren.

Rutschen auf Basalt

Der Radhaftungskoeffizient bei nassem Basalt ist ungefähr der gleiche wie bei Eis, und unter solchen Bedingungen zeigten die getesteten Mitsubishi Outlander-Modelle deutliche Unterschiede in ihrem Verhalten. Der „aktive“ Mitsubishi lässt beim Fahren wie eine Schlange leichtes Schwanken zu und ist anfälliger für Schleudern.

Ein Schleudern ist eine Verletzung der Bewegungsrichtung eines Fahrzeugs entlang der Längsebene.

Aber das ist nicht beängstigend, denn wenn etwas passiert, greift die Elektronik ein: Bei Annäherung an kritische Kurven schaltet sie die Traktion ab und übernimmt teilweise die Kontrolle, was das Fahren eines solchen Crossovers interessanter und gleichzeitig sicherer macht.

Beim Beschleunigen aus dem Stand auf gleicher Fahrbahn hatte der Outlander mit aktivem Differenzial erneut die Nase vorn – er startete souveräner mit weniger Radschlupf, während der Crossover mit herkömmlichem Differenzial zur Seite gehen wollte, das Stabilisierungssystem dies jedoch sofort korrigierte . Es gab keinen Unterschied in der Bewegung, wenn das gesamte Auto oder Teile davon auf einer rutschigen Oberfläche standen.

Wozu dient S-AWC?

Der Test-Mitsubishi Outlander ist mit einem ziemlich leistungsstarken Motor mit 230 PS ausgestattet, kann aber nicht als Sport-Crossover angesehen werden, und selbst das in einem von ihnen verbaute aktive Differenzial erhöht die Geschwindigkeit nicht wirklich. Das S-AWC-Getriebe sorgt auf der Strecke nur im Bruchteil einer Sekunde für einen Gewinn. Sein Hauptzweck ist daher die Erhöhung der aktiven Sicherheit, die sich nicht nur beim Fahren unter Traktion, sondern auch beim starken Gaswegnehmen bemerkbar macht. Auch bei Fahrten im Gelände kann ein aktives Differenzial Abhilfe schaffen – in diesem Fall steht dem Fahrer eine elektronisch gesteuerte Vorderradsperre zur Verfügung. Dies ist jedoch immer noch kein SUV, und bei ernsthaften Offroad-Bedingungen hilft das aktive Differenzial nicht – höchstwahrscheinlich wird die Zwischenachskupplung überhitzen, und ein intelligentes Design hilft möglicherweise nicht weiter.

Im Sport und im Alltagsverkehr übernimmt ein aktives Differenzial unterschiedliche Aufgaben: Der Fahrer entwickelt damit eine höhere Geschwindigkeit, und der Normalfahrer erhält eine höhere Fahrzeugsicherheit, da die Schleuderneigung des Fahrzeugs verringert wird. Und gleichzeitig ermöglicht ein aktives Differenzial in einer schwierigen Situation einer Person, die nicht über tiefe Fahrkenntnisse verfügt, viele Fehler zu vermeiden. Für Profis ist vielleicht ein Auto mit konventionellem Differenzial fahrtechnisch noch interessanter, da es die Möglichkeit bietet, ohne elektronische Eingriffe eins mit dem Auto zu bleiben.

Es lohnt sich also auf jeden Fall, 20.000 Rubel zu viel für ein so intelligentes Aktivdifferenzial zu bezahlen, wenn das Auto eineinhalb Millionen kostet!

Funktionsschema des aktiven Differentials beim Outlander

Das Funktionsprinzip des aktiven Differenzials S-AWC basiert auf der Implementierung der Schubvektorsteuerung, das Funktionsschema beim Lancer Evolution und beim Mitsubishi Outlander unterscheidet sich jedoch erheblich. Beim Evolution befindet sich das aktive Differenzial an der Hinterachse und erhöht die Traktion des äußeren Rads in Abhängigkeit von der Kurvenfahrt, wodurch Untersteuern vermieden wird. Dies wird durch zwei Kupplungen erreicht, die jeweils das Drehmoment auf ihr eigenes Rad leiten.

Doch die Funktionsweise von S-AWC beim Outlander ist völlig anders, schon allein deshalb, weil es an der Vorderachse verbaut ist. Die Hauptrolle spielt hierbei die Lamellenkupplung, die als Softlock fungiert. Um die Kupplungen zusammenzudrücken, sendet die Elektronik im richtigen Moment ein Vorlaufsignal, eine mechanische Selbstblockierung würde mit einer leichten Verzögerung wirken. Die aktive elektrische Servolenkung des getesteten Mitsubishi gleicht das Differenzial aus und verhindert scharfes Lenken aufgrund des Drehmomentunterschieds am rechten und linken Vorderrad, wodurch verhindert wird, dass Ihnen das Lenkrad aus der Hand gerissen wird. Natürlich kommt es zu keiner Notsituation ohne den Eingriff des elektronischen Stabilisierungssystems des Crossovers, das die Motorleistung und die Bremsmechanismen begrenzt, die an den Rädern greifen.

S-AWC: Schöpfungsgeschichte

Die Japaner waren die ersten, die es entwickelten und dieses Konzept in die Praxis umsetzten. So baute Mitsubishi bereits 1996 das erste aktive Differenzial an der Hinterachse des Lancer Evo IV mit Allradantrieb ein, und 1997 installierte Honda ein Torque-Vectoring-System beim Prelude-Coupé mit Frontantrieb. Seltsamerweise haben die Deutschen, die immer zu den Ersten gehören, die High-Tech-Dinge wenn nicht sogar erschaffen, dann installieren, dieses Mal erst 2007 mit der Einführung eines neuen Produkts begonnen (obwohl es sich bereits um ein neues Produkt handelt!). Solche Einheiten waren als Option für den BMW X6 und den Audi S4 erhältlich, wirklich weit verbreitet war das aktive Differenzial jedoch erst beim Lancer Evolution. Heute können wir mit Sicherheit sagen, dass etwa die Hälfte der Automobilhersteller die Funktion der Drehmomentverteilung zwischen den Rädern anbietet. Wir sollten jedoch nicht vergessen, dass es sich hierbei nicht um eine spezielle Mechanik handelt, sondern lediglich um eine elektronische Nachbildung derselben.

Video Mitsubishi Outlander überwindet Gelände und Schnee

Kontrollierter Schubvektor

Schubvektorkontrolle (TCV) Strahltriebwerk – Abweichung des Triebwerksstrahls von der Richtung, die dem Reisemodus entspricht.

Derzeit erfolgt die Schubvektorsteuerung hauptsächlich durch Drehen der gesamten Düse oder eines Teils davon.

Abb. 1: Diagramme von Düsen mit mechanischem UVT: a) - mit Strömungsumlenkung im Unterschallteil; b) - mit Strömungsumlenkung im Überschallteil; c) - kombiniert.

Ein Schema mit Strömungsumlenkung im Unterschallteil zeichnet sich durch das Zusammentreffen des mechanischen Ablenkungswinkels mit dem gasdynamischen aus. Bei einer Schaltung mit Ablenkung nur im Überschallteil unterscheidet sich der gasdynamische Winkel vom mechanischen.

Abb. 2: Schema einer Düse mit GUVT unter Verwendung atmosphärischer Luft im Axialströmungsmodus: 1-Kraftfluss; 2-ausgestoßener Kontrollstrom der Atmosphäre; 3-Ring-Schale an Trennrippen befestigt; 4-Teilungsrippen.

Abb. 3: Diagramm einer Düse mit GUVT im Modus maximaler Schubvektorabweichung: 1 geschlossener Sektor; 2-offener Sektor; 3-Tiefdruckgebiet.

Eine gasdynamische Düse nutzt eine „Jet“-Technik, um die effektive Fläche der Düse zu verändern und den Schubvektor abzulenken, die Düse ist jedoch nicht mechanisch verstellbar. Diese Düse hat keine heißen, hochbelasteten beweglichen Teile; sie passt sich gut an die Flugzeugstruktur an, was deren Gewicht reduziert.

Die Außenkonturen der festen Düse können sich nahtlos in die Konturen des Flugzeugs einfügen und so die Stealth-Eigenschaften verbessern. In dieser Düse kann Luft vom Kompressor zu den Injektoren im kritischen Abschnitt und im expandierenden Teil geleitet werden, um den kritischen Abschnitt zu ändern bzw. den Schubvektor zu steuern.

Links

• RD-133 – auf airwar.ru

Literatur

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6. 2 // Erfahrung in der Entwicklung eines gasdynamischen Schubvektorsteuergeräts. Zusammenfassungen von Berichten.. - Samara: „Internationale wissenschaftliche und technische Konferenz zum Gedenken an den Generaldesigner der Luft- und Raumfahrttechnik, Akademiker N.D. Kuznetsova“, 2001 – S. 205-206.

Differentialgleichung

Wie funktioniert das Schubvektorkontrollsystem?

Differentialgleichung

Wie funktioniert das Schubvektorkontrollsystem?

Foto: Produktionsunternehmen

In jedem Auto gibt es ein Differenzial, aber warum wird es benötigt? Was ist ein „aktives Differenzial“ mit Torque-Vectoring-Funktion – und warum hilft es beim Abbiegen? Lass es uns herausfinden!

Beim Fahren drehen sich alle Räder eines Autos unterschiedlich schnell. Schon allein deshalb, weil die Straße uneben ist, und wenn eines der Räder auf eine Unebenheit trifft, legt es auf ebener Straße eine größere Strecke zurück als alle anderen. Aber beim Wenden ist alles ganz schlimm: Jedes der vier Räder bewegt sich in einem eigenen Radius (achten Sie auf die Spuren, die Autos im Schnee hinterlassen).

Und wenn dies bei nicht angetriebenen Rädern kein Problem darstellt, ist bei Antriebsrädern nicht alles so einfach. Wenn zwei Antriebsräder durch eine starre Welle verbunden sind, rutschen oder rutschen die Reifen ständig durch, was zu einem schnellen Verschleiß führt. Gleichzeitig steigt der Kraftstoffverbrauch und das Fahrverhalten des Fahrzeugs verschlechtert sich. Um diese Probleme zu vermeiden, sind Autos mit Differentialen ausgestattet.

Als Erfinder des Differentials gilt der französische Mathematiker Onesiphore Peccoeur, das Ereignis selbst geht auf das Jahr 1825 zurück. Obwohl einigen Quellen zufolge ein ähnliches Gerät im antiken Rom existierte, überlassen wir die Frage der Geschichte den Spezialisten. In diesem Artikel widmen wir uns mehr Aufmerksamkeit einem relativ jungen System namens Torque Vectoring, was aus dem Englischen übersetzt „Schubvektorsteuerung“ bedeutet.

Zunächst lohnt es sich zu verstehen, wie ein Differential im Allgemeinen funktioniert. Es besteht aus vier Hauptelementen: dem Gehäuse, den Satelliten, der Satellitenachse und den Achsgetrieben. Das Funktionsprinzip ist einfach: Das Differentialgehäuse ist starr mit dem Abtriebsrad des Hauptgetriebes verbunden, die Achse der Satelliten ist starr mit dem Gehäuse verbunden. Das Drehmoment wird auf den Körper übertragen, von diesem auf die Achse der Satelliten und dementsprechend auf die Satelliten selbst – und diese wiederum übertragen die Kraft auf die Zahnräder der Achswellen.

Denken Sie daran, wie Sie als Kind einen Freund mit der gleichen Statur auf einer Schaukel balancierten – Sie konnten in der Luft hängen, ohne den Boden zu berühren. In einem Differential sind die Achswellenräder gleich, daher ist auch der Kraftarm für die linke und rechte Achswelle gleich, was bedeutet, dass das Drehmoment am linken und rechten Rad gleich ist.

Das Differential ermöglicht, dass sich die Räder relativ zueinander in unterschiedliche Richtungen drehen. Versuchen Sie, ein Antriebsrad am Lift zu drehen – das zweite dreht sich in die entgegengesetzte Richtung. Allerdings drehen sich diese Räder relativ zum Auto in eine Richtung – schließlich dreht sich auch das Differentialgehäuse! Es ist, als würde man in einem Bus rückwärts laufen und sich dennoch von der Person entfernen, die an der Haltestelle zurückgeblieben ist. Es stellt sich also heraus, dass sich die beiden Räder mit der gleichen Kraft drehen und dies mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten tun können. Dies wird im Video möglichst anschaulich dargestellt:

Diese Konstruktion hat einen Nachteil: Beide Räder erhalten das gleiche Drehmoment, und um das Auto besser lenken zu lassen, wäre es schön, dem äußeren Rad mehr Drehmoment zuzuführen. Wenn Sie dann aufs Gaspedal treten, schleudert das Auto buchstäblich in die Kurve – und der Effekt wird viel stärker sein als bei einem Auto mit Einachsantrieb und freiem Differenzial. Doch wie lässt sich ein solches System in ein reales Design umsetzen?

Heutzutage erfreuen sich solche Systeme immer größerer Beliebtheit. Der Begriff „Torque Vectoring“ selbst hörte man erstmals im Jahr 2006, aber ein ähnliches System namens Active Yaw Control tauchte in den Neunzigerjahren auf Rallye-Strecken auf: Es wurde mit dem Mitsubishi Lancer Evolution IV ausgestattet, der 1996 debütierte. Bevor wir uns jedoch im Detail mit dem Design eines vollwertigen Differenzials mit Torque-Vectoring-System befassen, werfen wir zunächst einen Blick auf sein vereinfachtes Analogon, das im Ford Focus RS verwendet wird. Ein ähnliches System kommt im Getriebe des Land Rover Discovery Sport und des Cadillac XT5 zum Einsatz.

Das System ist recht einfach – es ist sogar ein wenig einfacher als der herkömmliche Allradantrieb, da es kein Hinterachsdifferenzial hat. Es gibt nur zwei Kupplungen, die jeweils eine eigene Achswelle verbinden. Bei Geradeausfahrt ohne Schlupf bleibt das Auto vorne angetrieben, die Hinterräder werden nur bei Schlupf und Kurvenfahrt eingekuppelt (bei einer Linkskurve das rechte Hinterrad und umgekehrt). Das Rad kann bis zu 100 % des an die Hinterachse übertragenen Drehmoments aufnehmen, wodurch das System das daraus resultierende Untersteuern gleicht, als würde das Auto drehen.

Aber was ist, wenn nur eine Antriebsachse vorhanden ist und im leisen Modus ein Differenzial erforderlich ist, und zwar ein offenes, Sie möchten aber in einer Kurve mehr Drehmoment an das äußere Rad liefern, um das Auto besser mit Gas steuern zu können? , und auch Untersteuern reduzieren?

Solche Lösungen gibt es auch in der modernen Automobilindustrie. Beispielsweise sind die Modelle Lexus RC F und GS F der neuesten Generation mit einem Hinterachsdifferenzial ausgestattet, das das Drehmoment zwischen dem linken und rechten Rad verteilen kann. Bei einer solchen Einheit im Hinterradgetriebe dreht das Hauptzahnrad das Gehäuse des gängigsten Differentials; außerdem gibt es zwei Overdrive-Planetenräder, die mit Hilfe eines Kupplungspakets das Differentialgehäuse mit der Achswelle verbinden können. Dadurch wird dem Außenrad über ein Planetengetriebe zusätzliches Drehmoment zugeführt, wodurch der Effekt des Einschraubens in eine Kurve entsteht.

Eine ähnliche Lösung wurde auf die Hinterachse der allradgetriebenen BMW X6 M und X5 M angewendet – sowohl für BMW und Lexus als auch für Cadillac und Land Rover wurde das System von GKN entwickelt und hergestellt. Der Unterschied besteht im Großen und Ganzen nur im Achsantriebsgehäuse: BMW hat es beispielsweise aus Aluminium, während Lexus es aus Gusseisen hat. Der Antrieb der Reibungskupplungen beider Hersteller erfolgt mechanisch, er erfolgt über baugleiche GKN-Kupplungen.

Auch Audi-Fahrzeuge mit optionalem Sportdifferenzial verfügen über ein ähnliches System, allerdings gibt es hier keine Planetengetriebe, sondern einfache Hohlräder. Das Funktionsprinzip ist jedoch absolut dasselbe: Über ein Kupplungspaket werden zwei Gänge verbunden und die Achswelle über einen Overdrive mit dem Differentialgehäuse verbunden. Für ein umfassenderes Verständnis können Sie sich dieses Video ansehen:

Wie groß ist der Effekt der Verwendung fortschrittlicher Differentiale? Das amerikanische Magazin Car and Driver führte einen Vergleichstest mit zwei Lexus RC Fs durch, von denen einer mit einem Torque-Vectoring-Differenzialsystem und der zweite mit einer herkömmlichen „Selbstblockierung“ ausgestattet war. Durch höhere Maximalbeschleunigungen, geringere Lenkwinkel und bessere Rundenzeiten des Fahrzeugs mit aktivem Differenzial hat sich der Charakter des Fahrzeugs in Richtung Übersteuern verändert. Und ich freue mich, dass es ihn nicht nur für Sportwagen, sondern auch für den kompakten Crossover Nissan Juke gibt – wenn auch in einer etwas vereinfachten Version.

Erwarten Sie vorerst nicht, dass solche Systeme herkömmliche Differentiale ersetzen werden – schließlich sind sie komplexer, teurer und werden von aktiven Fahrern stärker benötigt. Mit Beginn der Ära der Elektrofahrzeuge eröffnen sich jedoch die umfassendsten Möglichkeiten zur Steuerung des Schubvektorings: Denn wenn jedes Antriebsrad über einen eigenen Elektromotor verfügt, ist die Umsetzung des Torque Vectoring-Effekts nur noch eine Frage der Software .