ATB DIFFERENTIEEL QUAIFE "more info"

[jonas (R-garage)]

We zijn er niet om Lewis Hamilton nog een tiende van een seconde sneller te laten gaan. Maar een straat- of raceauto met een standaard open differentieel wordt met ons Automatic Torque Biasing differentieel op het gros van de circuits in Groot-Brittannië wel twee tot drie seconden sneller over een ronde. En dat zonder verder iets aan de auto te veranderen”, zegt Michael Quaife, directeur van het gelijknamige Engelse bedrijf. En, zegt hij, auto’s worden met dit differentieel niet alleen sneller maar ook veiliger.

Het differentieel op een auto heeft drie functies: het verdeelt de aandrijfkracht van de motor op de twee wielen van een as; het fungeert als eindreductie, waarbij de snelheid van de wielen ten opzichte van de uitgaande as van de transmissie nog een laatste keer wordt gereduceerd; en het zorgt ervoor dat de beide wielen van de as met een verschillende snelheid kunnen draaien terwijl de aandrijfkracht wordt overgebracht (vandaar de naam differentieel).

Het overgrote deel van de auto’s op onze wegen is voorzien van een ‘open’ differentieel. Dit betekent dat er altijd dezelfde hoeveelheid koppel op beide wielen wordt overgebracht. Onder droge omstandigheden op een rechte, gladde weg met asfalt dat een hoge frictiecoëfficiënt heeft, zal het maximaal over te brengen draaimoment worden bepaald door de motor en de overbrengingsverhouding. In een situatie waarbij de frictiecoëfficiënt van het wegdek of het contact van het wiel met het wegdek minder goed is, bijvoorbeeld op sneeuw en ijs, zal het draaimoment dat kan worden overgebracht echter worden beperkt tot de hoeveelheid waarbij het wiel nog net niet doorslipt. Wanneer je meer gas geeft terwijl het wiel al slipt, zal het alleen maar sneller gaan draaien zonder dat de auto sneller (of überhaupt) vooruitkomt. Een veel gebruikt trucje om op een gladde ondergrond toch nog weg te kunnen rijden, is daarom het starten in een hogere versnelling. Door een grotere overbrenging te kiezen zal het koppel aan de wielen minder worden, en is het makkelijker om te accelereren zonder dat de wielen doorslippen (spinnen).

Problematischer wordt het wanneer één wiel op een aangedreven as een grotere hoeveelheid tractie kan leveren dan het andere. Stel dat het linkerwiel op droog asfalt staat en het andere op ijs. Met een open differentieel wordt het aandrijfkoppel altijd evenredig over de beide wielen verdeeld. Er is maar heel weinig koppel voor nodig om het wiel dat op ijs staat te laten spinnen. Wanneer dat gebeurt, wordt er helemaal geen koppel meer overgebracht. Geen koppel op het rechterwiel is ook geen koppel op het linkerwiel. Resultaat: het wiel dat goede tractie kan leveren staat stil, terwijl het andere hulpeloos doordraait.

Bochtenwerk
Als we een bocht nemen, wordt door de middelpuntvliedende kracht het binnenste wiel ontlast en het buitenste evenredig zwaarder belast. Het binnenste wiel zal dan ook eerder spinnen dan in een rechte lijn, terwijl het buitenste juist nog wel meer koppel zou kunnen overbrengen. Helaas: met een open differentieel kan er niet meer koppel worden overgebracht dan het binnenste wiel toelaat. Geef je meer gas, dan spint het binnenste wiel en gaat je motorkoppel letterlijk in rook op. Bovendien kan een spinnend wiel niet alleen geen aandrijfkrachten meer overbrengen, maar ook geen zijdelingse krachten meer. Simpel gezegd: je kunt minder hard door de bocht zonder dat je er uitvliegt.

Een andere situatie waarbij een open differentieel je in problemen kan brengen is bij het off-road rijden. Als je een vierwielaangedreven auto rijdt met zowel vóór als achter een open differentieel, kun je al snel vast komen te zitten in het terrein. Met één voorwiel en één achterwiel van de grond kom je dan geen centimeter meer vooruit – de wielen die in de lucht hangen zullen hulpeloos ronddraaien terwijl de andere twee geen aandrijfkoppel krijgen. De aandrijfkracht in een open differentieel volgt altijd de weg van de minste weerstand – en dat is via het minst belaste wiel.

Bij een terreinauto die op losse dan wel modderige, besneeuwde enzovoort ondergrond wordt gebruikt en alleen onder deze omstandigheden tractiehulp nodig heeft, kan de oplossing heel eenvoudig zijn: je stelt gewoon tijdelijk het differentieel buiten werking zodat beide wielen op een as altijd met dezelfde snelheid draaien. Zo’n differentieelsper komen we dan ook tegen in echte ‘ouderwetse’ terreinvoertuigen. Maar op een asfaltweg komen we met een gesperd differentieel wel in de problemen bij het nemen van een bocht, want het differentieel zit er niet voor niets: het is er om het verschil in af te leggen afstand tussen het binnenste en het buitenste wiel te compenseren, dat wil zeggen het binnenste wiel draait langzamer dan de uitgaande as van de aandrijving, en het buitenste juist sneller. Als we het differentieel in een bocht blokkeren, dan moet het binnenste wiel – dat ten opzichte van het buitenste te snel draait omdat de afstand die het in dezelfde tijd moet afleggen, kleiner is, wel kunnen doorslippen (of het buitenste wiel moet als het ware over het asfalt worden ‘gesleept’ door het binnenste) hetgeen om het fijntjes te stellen tot een wat ‘hoekig’ bochtgedrag leidt, anders is het wachten tot er iets in het differentieel breekt, of tot de aandrijfassen de pijp aan Maarten geven.

Sper
Om de nadelen van het differentieel te ondervangen, zonder de werking ervan teniet te doen, zijn er verschillende opties. De meest gebruikte is het differentieel met beperkte sperwerking, ofwel het limited slip differential. In de meest gangbare versie bestaat deze uit dezelfde componenten als een gewoon differentieel, plus een verenpakket en een set ‘koppelingsplaten’ die door de veerkracht aan de binnenkant tegen de tandwielen drukken die links en rechts verbonden zijn met een wiel. Wanneer het ene wiel sneller wil draaien dan het andere, wordt dit in eerste instantie tegengehouden door de platen die door de veerkracht aan de binnenzijde tegen de tandwielen worden gedrukt. Pas wanneer de frictie die de platen uitoefenen op de tandwielen, wordt overwonnen door het motorkoppel, gaat het differentieel weer als een normaal, open differentieel werken. De hoeveelheid koppel die daarvoor nodig is wordt bepaald door de frictie van de platen in combinatie met de stijfheid van de veren. Het resultaat is, dat wanneer we met één wiel op ijs staan en het andere op asfalt, de hoeveelheid koppel die geleverd kan worden aan het wiel met goede tractie gelijk is aan de hoeveelheid die nodig is om de platen in het differentieel te laten slippen, en dat we makkelijk kunnen wegrijden, alhoewel niet met het volledige beschikbare motorkoppel.

Dit zogenoemde ‘platendifferentieel’ heeft ook nadelen. De hoeveelheid frictie die wordt geleverd door de ‘koppelings’platen is aan verandering onderhevig door slijtage tot het moment dat het differentieel niet of nauwelijks meer als sperdifferentieel werkt en een revisie noodzakelijk is geworden. Het differentieel werkt als volledig sper tot het moment dat de koppelingsplaten gaan slippen, hetgeen kan leiden tot ongewenste invloeden in de besturing op het moment dat de rijder een bocht instuurt bij auto’s waarbij de voorwielen worden aangedreven (vóór- dan wel vierwielaandrijving). Voor de autosport is dit type differentieel wel uitermate geschikt omdat door het gebruik van verschillende koppelingsplaten en veerpakketten de werking ervan optimaal kan worden aangepast aan de auto, de specifieke omstandigheden (bijvoorbeeld het circuit waarop wordt gereden, droog of nat wegdek et cetera) en de voorkeur van de rijder. Een ander voordeel is dat het wiel dat wél tractie heeft altijd aandrijfkoppel toebedeeld krijgt, zelfs als het andere wiel in de lucht hangt.

Viscokoppeling
Een andere manier om de tractie te verbeteren wanneer twee wielen op een as (of de wielen van twee verschillende assen in het geval van een vierwielaangedreven auto) die zijn verbonden met een differentieel, een verschillende hoeveelheid grip leveren, is de viscokoppeling. Dit is een gesloten behuizing waarin per aandrijfas een hiermee verbonden set geperforeerde platen ronddraait en die gevuld is met hydraulische vloeistof. Onder normale omstandigheden draaien de beide assen met de platen, en de hydraulische vloeistof met dezelfde snelheid rond. Wanneer één kant sneller wil draaien, bijvoorbeeld omdat het wiel dat ermee verbonden is slipt, zal de hydraulische vloeistof die tussen de platen ‘vastzit’ proberen ‘mee te komen’ met de snelheid van de platen die aan het sneller draaiende wiel en daardoor de platen die aan het andere wiel vastzitten ‘meesleurt’ – oftewel, er wordt aandrijfkoppel overgebracht naar het wiel dat langzamer draait. Hoe groter het verschil in snelheid tussen de wielen (en dus ook de platen), hoe meer koppel er naar het langzamer draaiende wiel wordt ‘verplaatst’. In bochten werkt een viscokoppeling niet ‘tegen’ de normale differentieelwerking, omdat het verschil in snelheid maar klein is. Dat geeft tegelijkertijd het voornaamste nadeel van de viscokoppeling aan: er vindt geen overdracht van koppel plaats voordat er daadwerkelijk een wiel slipt.

De buitenkant (links) en de interne opbouw van een Quaife Automatic Torque Biasing differentieel. De units worden met CAD ontworpen en CNC gefreesd uit een speciale staalsoort van Corus. Omdat het differentieel met tandwielen in plaats van frictieplaten werkt, functioneert het als een open differentieel zolang er geen sprake is van verminderde tractie, en hoeven er ook geen slijtdelen te worden vervangen.
Het Torsen-differentieel (waarbij Torsen staat voor Torque Sensing) is een puur mechanisch werkend differentieel: er worden geen frictieplaten, vloeistof of elektronica in gebruikt. Het Torsen-differentieel werkt als een open differentieel zo lang als de hoeveelheid koppel die naar de wielen gaat aan beide zijden gelijk is. Wanneer één van de wielen grip verliest, zal het verschil in koppel ervoor zorgen dat de tandwielen in het differentieel worden samengedrukt. Het ontwerp van de tandwielen in het differentieel bepaalt de zogenoemde torque bias ratio: een differentieel met een ‘torque bias ratio’ van 5:1 is in staat vijf keer zoveel aandrijfkoppel te sturen naar het wiel dat de meeste tractie heeft. Een Torsen-differentieel wordt vaak gebruikt om in high performance vierwielaangedreven voertuigen aandrijfkoppel tussen de voor- en achterwielen te verdelen. In deze applicatie is hij superieur aan de viscokoppeling, omdat hij koppel naar het wiel met de meeste tractie over kan brengen vóórdat het andere wiel daadwerkelijk slipt. Een nadeel is dat een Torsen-differentieel wanneer één van de wielen helemaal geen tractie meer heeft (omdat het in de lucht hangt bijvoorbeeld) geen koppel naar het andere wiel over kan brengen – vijf keer niets is immers nog steeds niets. In dit geval werkt een Torsen hetzelfde als een open differentieel.

ATB
Het Automatic Torque Biasing (AT- differentieel van Quaife kan worden gezien als een bijzondere uitvoering van het Torsen-differentieel. Het werd ruim twintig jaar geleden ontworpen door Rod Quaife en is nog steeds in ongewijzigde vorm in productie. Alhoewel autosporttteams in alle soorten, maten en klassen tot aan het Benetton Formule 1-team (in 1986 en 1987) gebruik hebben gemaakt van de Quaife-versie, ligt de voornaamste toepassing ervan volgens Michael Quaife, de huidige bedrijfsdirecteur, vooral in het verbeteren van de tractie bij straatauto’s en voor productietoerwagens, merkenraces, auto’s voor recreatief circuit gebruik en dergelijke. “Het is een ‘fit and forget’ oplossing – er hoeft niets afgesteld, veranderd of periodiek onderhouden te worden aan het differentieel of de auto. We geven dan ook een levenslange garantie op onze differentiëlen – en afgezien van twee differentiëlen met een productiefout die we nu niet meer kunnen maken is er nog nooit eentje teruggekomen.”

Quaife leverde ATB differentiëlen aan Ford (Focus RS), Chrysler (o.a. Neon SRT- 4) en recentelijk aan General Motors. “Daarmee heeft ons product dus ook de test- en validatieprocedures van Ford, DaimlerChrysler en General Motors voor serieproductievoertuigen doorlopen. Drie verschillende eisenpakketten, en in alle drie de gevallen doorstond ons product glansrijk alle tests.” Het differentieel dat Alfa Romeo gebruikt in de Q2-modellen (zie Autokompas nr. 10/2007) is trouwens qua bouw en functie identiek aan dat van Quaife – onlangs verliep het patent op de Quaife ATB. “Nu zijn we sowieso beter toegerust voor kleine productie’runs’ tot zeg maar 10.000 voertuigen per jaar”, geeft Michael Quaife toe. “Wanneer we een opdracht zouden krijgen voor 70.000 stuks zouden we een groot deel van het werk moeten uitbesteden en dat vereist weer een heel ander soort organisatie.”

In tegenstelling tot een ‘normaal’ Torsen-differentieel kent het Quaife ATB-systeem geen vaste ‘biasing ratio’, vertelt Michael Quaife. “De mate waarin aandrijfkracht naar het wiel met de meeste tractie wordt geleid, varieert constant – er zal echter altijd aandrijfkoppel naar het andere wiel blijven gaan.” Het grote voordeel van het Quaife ATB is dat het absoluut geen invloed heeft op de besturing van de auto wanneer het op de voorwielen wordt toegepast, vervolgt Quaife. ‘Tachtig procent van onze differentiëlen verkopen we voor toepassing op voorwielaangedreven voertuigen. Daar zijn met de toenemende motorvermogens en draaimomentwaarden de tractieproblemen het grootst, terwijl een normaal ‘limited slip’ differentieel met platen zeker voor straatauto’s met voorwielaandrijving minder geschikt zijn omdat ze het differentieel in eerste instantie volledig ‘vastzetten’ totdat de koppelingsplaten in het differentieel gaan slippen. Maar ook op achterwielaangedreven auto’s heeft het ATB-differentieel grote voordelen ten aanzien van de stabiliteit van de auto, zeker onder natte of gladde omstandigheden. Ook beïnvloedt het differentieel de werking van ABS- en elektronische stabiliteitscontrolesystemen niet – al zal je die laatste met een ATB minder snel nodig hebben….”

Installeren
De catalogus van Quaife telt zo’n 600 aftermarkettoepassingen van het ATBdifferentieel, waarvan er zo’n twee- tot driehonderd op voorraad liggen. Elk jaar komen er nog zestig tot zeventig voertuigspecifieke toepassingen bij, vertelt Quaife. Moet een werkplaats nog met bijzondere zaken rekening houden wanneer hij zo’n differentieel voor een klant inbouwt? Eigenlijk niet. De differentiëlen zijn een ‘direct fit’ vervangingsdeel voor het standaard gemonteerde differentieel dus demontage en het opnieuw installeren van differentieel of transmissie geschiedt conform het werkplaatshandboek, ze vergen geen in- of afstelling, er hoeft niets aan de auto veranderd te worden en bij het rijden zal je afgezien van de verbeterde tractie helemaal niets van het differentieel merken. Wanneer het differentieel is opgenomen is in de versnellingsbak (zoals bij voorwielaangedreven auto’s) blijven de fabrieksspecificaties gelden voor wat betreft de gebruikte versnellingsbakolie en de eventuele verversingstermijn ervan. Wel is het zo dat de sterk verbeterde tractie bijvoorbeeld bij het uitkomen van bochten kan betekenen dat onderdelen als fuseekogels, ophangingsrubbers en aandrijfassen bijvoorbeeld tijdens circuitdagen, het zwaarder voor hun kiezen kunnen krijgen (die twee tot drie seconden winst per ronde betekenen toch een behoorlijke toename van de algehele prestaties, in de meeste snelle straatauto’s heb je vele tientallen pk’s extra motorvermogen nodig om hetzelfde te bereiken). Het is misschien dan ook raadzaam de staat van deze componenten in ogenschouw te nemen bij een dergelijk klusje.

Bij het onderhoud aan remmen, wielen et cetera bij een auto die voorzien is van een Quaife ATB differentieel, is het vanwege de interne componenten van het differentieel bovendien belangrijk dat alle aangedreven wielen ‘van de grond’ zijn.