Дифференциал (механическое устройство) - Differential (mechanical device)

Дифференциал с цилиндрической зубчатой ​​передачей, созданный за счет зацепления планетарных шестерен двух соосных планетарных зубчатых передач. Кожух является водилом этой планетарной зубчатой ​​передачи.

Дифференциала является зубчатой передачей с тремя валами , который имеет свойство , что скорость вращения одного вала представляет собой среднее значение скоростей других, или фиксированный кратного это средний.

Функциональное описание

Входной крутящий момент прилагается к зубчатому венцу (синий), который поворачивает все водило (синий). Водило соединено с обеими солнечными шестернями (красной и желтой) только через планетарную шестерню (зеленую). Крутящий момент передается на солнечные шестерни через планетарную шестерню. Планетарная шестерня вращается вокруг оси водила, приводя в движение солнечные шестерни. Если сопротивление на обоих колесах одинаково, планетарная шестерня вращается без вращения вокруг своей оси, и оба колеса вращаются с одинаковой скоростью.
Если левая солнечная шестерня (красная) встречает сопротивление, планетарная шестерня (зеленая) вращается, а также вращается, позволяя левой солнечной шестерне замедляться с таким же ускорением, что и правая солнечная шестерня (желтая).

Следующее описание дифференциала применимо к традиционному заднеприводному легковому или грузовому автомобилю с открытым дифференциалом или дифференциалом повышенного трения в сочетании с редуктором, использующим конические шестерни (это не является строго необходимым - см. Цилиндрический дифференциал ):

Так, например, если автомобиль поворачивает вправо, главная коронная шестерня может сделать 10 полных оборотов. За это время левое колесо будет делать больше оборотов, потому что ему нужно двигаться дальше, а правое колесо будет делать меньше оборотов, так как у него меньшее расстояние для движения. Солнечные шестерни (которые приводят в движение полуоси оси) будут вращаться с разными скоростями относительно коронной шестерни (одна быстрее, другая медленнее), скажем, на 2 полных оборота каждая (4 полных оборота относительно друг друга), в результате чего левое колесо делает 12 оборотов, а правое колесо делает 8 оборотов.

Вращение коронной шестерни всегда среднее из вращений боковых солнечных шестерен. Вот почему, если ведомые опорные колеса поднимаются над землей при выключенном двигателе, а ведущий вал удерживается (например, оставляя трансмиссию включенной, предотвращая вращение коронной шестерни внутри дифференциала), ручное вращение одного ведомого опорного колеса вызывает противоположное опорное колесо, чтобы вращаться в противоположном направлении на такую ​​же величину.

Когда транспортное средство движется по прямой, не будет дифференциального движения планетарной системы шестерен, кроме незначительных движений, необходимых для компенсации небольших различий в диаметре колес, неровностей дороги, которые увеличивают или сокращают путь колеса, и т.п.

Приложения

Автомобильный дифференциал: ведущая шестерня 2 установлена ​​на водило 5, которое поддерживает планетарные конические шестерни 4, которые входят в зацепление с ведомыми коническими шестернями 3, прикрепленными к осям 1.
ZF Дифференциал. Приводной вал входит спереди, а ведомые оси вращаются влево и вправо.
Автомобильный дифференциал Škoda 422

В автомобилях и других колесных транспортных средствах дифференциал позволяет внешнему ведущему колесу вращаться быстрее, чем внутреннему ведущему колесу во время поворота. Это необходимо, когда транспортное средство поворачивает, заставляя колесо, которое движется за пределами кривой поворота, катиться дальше и быстрее, чем другое колесо. Среднее значение скорости вращения двух ведущих колес равно входной скорости вращения ведущего вала. Увеличение скорости одного колеса уравновешивается уменьшением скорости другого.

При таком использовании дифференциал соединяет продольный входной карданный вал с шестерней , которая, в свою очередь, приводит в движение поперечную коронную шестерню дифференциала. Это также обычно работает как понижающая передача . На автомобилях с задним приводом дифференциал может соединяться с полуосями внутри картера моста или с ведущими валами, которые соединяются с задними ведущими колесами. Транспортные средства с передним приводом, как правило, имеют коленчатый вал двигателя и валы коробки передач поперечно, а шестерня на конце промежуточного вала коробки передач и дифференциал заключены в тот же корпус, что и коробка передач. К каждому колесу прикреплены индивидуальные карданные валы. Дифференциал состоит из одного входа (ведущий вал) и двух выходов, которые связаны с двумя ведущими колесами; однако вращения ведущих колес связаны друг с другом за счет их соединения с проезжей частью. В нормальных условиях при небольшом пробуксовке шин соотношение скоростей двух ведущих колес определяется соотношением радиусов дорожек, по которым катятся два колеса, что, в свою очередь, определяется шириной колеи колес. автомобиль (расстояние между ведущими колесами) и радиус поворота.

Неавтомобильные виды использования дифференциалов включают выполнение аналоговой арифметики . Два из трех валов дифференциала вращаются на углы, которые представляют (пропорциональны) двум числам, а угол вращения третьего вала представляет собой сумму или разность двух входных чисел. Самое раннее известное использование дифференциальной передачи - это механизм Antikythera , около 80 г. до н.э., который использовал дифференциальную передачу для управления небольшой сферой, представляющей Луну, по разнице между указателями положения Солнца и Луны. Мяч был окрашен в черный и белый цвета в полушариях и графически отображал фазу луны в определенный момент времени. Уравнение часы , которые использовали дифференциал для добавления был сделан в 1720 году в 20 - м веке, крупные узлы многих дифференциалов были использованы в качестве аналоговых вычислительных машин , вычисления, например, направление , в котором пистолет должен быть направлен.

История

Существует множество пунктов формулы изобретения дифференциальной передачи, но возможно, что она была известна, по крайней мере, в некоторых местах, в древние времена. Подтвержденные исторические вехи дифференциала включают:

Эпициклический дифференциал

Здесь используется планетарная передача для асимметричного распределения крутящего момента. Входной вал - зеленый полый, желтый - выход с низким крутящим моментом, а розовый - выход с высоким крутящим моментом. Сила, приложенная к желтой и розовой шестерням, одинакова, но поскольку плечо розовой шестерни в 2–3 раза больше, крутящий момент будет в 2–3 раза больше.

Планетарный дифференциал может использовать планетарную передачу для асимметричного разделения и распределения крутящего момента между передней и задней осями. Эпициклический дифференциал лежит в основе автомобильной трансмиссии Toyota Prius , где он соединяет двигатель, мотор-генераторы и ведущие колеса (которые, как обычно, имеют второй дифференциал для разделения крутящего момента). Его преимущество заключается в том, что он относительно компактен по длине оси (то есть вала солнечной шестерни).

Эпициклические шестерни также называют планетарными шестернями, потому что оси планетарных шестерен вращаются вокруг общей оси солнечного и кольцевого шестерен, с которыми они входят в зацепление и катятся между ними. На изображении желтый вал несет почти скрытую солнечную шестерню. Синие шестерни называются планетарными шестернями, а розовые шестерни - кольцевыми шестернями.

Кольцевые шестерни также используются в стартерах .

Дифференциал прямозубой шестерни

Дифференциал с цилиндрической зубчатой ​​передачей имеет две прямозубые цилиндрические шестерни одинакового размера, по одной на каждую половину вала, с промежутком между ними. Вместо конической шестерни , также известной как угловая шестерня, в сборе («крестовина») в центре дифференциала находится вращающийся водил на той же оси, что и два вала. Крутящий момент от первичного двигателя или трансмиссии , такой как приводной вал автомобиля, вращает это водило.

В этом водиле установлена ​​одна или несколько пар идентичных шестерен, обычно длиннее их диаметра и обычно меньше, чем прямозубые шестерни на отдельных полуосях. Каждая пара шестерен свободно вращается на штифтах, поддерживаемых водилом. Кроме того, пары шестерен смещены в осевом направлении, так что они входят в зацепление только на части своей длины между двумя цилиндрическими зубчатыми колесами и вращаются в противоположных направлениях. Оставшаяся длина данной шестерни находится в зацеплении с ближайшей цилиндрической шестерней на ее оси. Следовательно, каждая шестерня соединяет эту прямозубую шестерню с другой шестерней и, в свою очередь, с другой прямозубой шестерней, так что, когда ведущий вал вращает водило, его отношение к шестерням для отдельных осей колеса такое же, как в конической. -шестеренный дифференциал.

Дифференциал с цилиндрической зубчатой ​​передачей состоит из двух идентичных соосных планетарных зубчатых передач, собранных с одним водилом, так что их планетарные шестерни входят в зацепление. Это формирует планетарную зубчатую передачу с фиксированным передаточным числом водила R = -1 .

В этом случае основная формула планетарной зубчатой ​​передачи дает

или

Таким образом, угловая скорость водила дифференциала прямозубой шестерни представляет собой среднее значение угловых скоростей солнечной и кольцевой шестерен.

При обсуждении дифференциала прямозубой шестерни использование термина « кольцевая шестерня» - удобный способ различить солнечные шестерни двух планетарных зубчатых передач. Вторая солнечная шестерня служит той же цели, что и кольцевая шестерня простой планетарной зубчатой ​​передачи, но явно не имеет внутреннего зубчатого сопряжения, типичного для кольцевой шестерни.

Неавтомобильные приложения

Дифференциальный используются для управления наматываемым рулона из более считывателя бумажной ленты , сделанных Tally около 1962. конических шестерен свободно вращаются на свои валах, если только тормозная колодка не останавливает левую шестерню. Это заставляет планетарную шестерню вращать выходной вал на половине скорости ведомой шестерни справа.
Планетарный дифференциал, используемый для привода самописца примерно в 1961 году. Двигатели приводят в движение солнечную и кольцевую шестерни, а выходной сигнал снимается с водила планетарной передачи. Это дает 3 различных скорости в зависимости от того, какие двигатели включены.

Китайские колесницы, указывающие на юг, возможно, также были очень ранним применением дифференциалов. У колесницы был указатель, который постоянно указывал на юг, независимо от того, как колесница вращалась во время движения. Поэтому его можно было использовать как компас . Широко распространено мнение, что дифференциальный механизм реагировал на любую разницу между скоростями вращения двух колес колесницы и соответствующим образом поворачивал указатель. Однако механизм был недостаточно точным, и после нескольких миль пути циферблат вполне мог указывать в совершенно противоположном направлении.

Самое раннее определенно подтвержденное использование дифференциала было в часах, сделанных Джозефом Уильямсоном в 1720 году. В нем использовался дифференциал, чтобы добавить уравнение времени к местному среднему времени , определяемому часовым механизмом, для получения солнечного времени , которое было бы то же, что и чтение солнечных часов . В 18 веке считалось, что солнечные часы показывают «правильное» время, поэтому обычные часы часто приходилось настраивать, даже если они работали идеально, из-за сезонных колебаний в уравнении времени. Часы Вильямсона и другие уравнительные часы показывали солнечные часы без необходимости дополнительной настройки. В настоящее время мы считаем часы «правильными», а солнечные часы обычно неправильными, поэтому многие солнечные часы содержат инструкции о том, как использовать их показания для определения времени.

В первой половине двадцатого века были построены механические аналоговые компьютеры , называемые дифференциальными анализаторами , которые использовали дифференциальные зубчатые передачи для выполнения сложения и вычитания . В ЭВМ управления огнем орудия ВМС США Mk.1 использовалось около 160 дифференциалов конического типа.

Дифференциальная зубчатая передача может использоваться для обеспечения разницы между двумя ведущими осями. Мельницы часто использовали такие шестерни для приложения крутящего момента на требуемой оси. Дифференциалы также используются в часовом производстве, чтобы связать две отдельные системы регулирования с целью усреднения ошибок. Greubel Forsey использует дифференциал, чтобы связать две системы с двойным турбийоном в своем Quadruple Differential Tourbillon.

Применение к автомобилям

"За углом" (1937), фильм Jam Handy, снятый для Chevrolet, объясняющий, как работает открытый дифференциал.

У транспортного средства с двумя ведущими колесами есть проблема, заключающаяся в том, что при повороте ведущие колеса должны вращаться с разной скоростью для сохранения сцепления с дорогой. Автомобильный дифференциал предназначен для привода пары колес, позволяя им вращаться с разной скоростью. В автомобилях без дифференциала, таких как карт , оба ведущих колеса вынуждены вращаться с одинаковой скоростью, обычно на общей оси, приводимой в движение простым цепным приводным механизмом.

При повороте внутреннее колесо проходит меньшее расстояние, чем внешнее колесо, поэтому без дифференциала либо внутреннее колесо вращается слишком быстро, либо внешнее колесо вращается слишком медленно, что приводит к трудному и непредсказуемому управлению, повреждению шин и дорог и деформации. о трансмиссии (или возможной неисправности) .

В автомобилях с задним приводом центральный приводной вал (или карданный вал) входит в зацепление с дифференциалом через гипоидную шестерню (кольцо и шестерню). Зубчатый венец установлен на водило планетарной цепи, образующей дифференциал. Эта гипоидная шестерня представляет собой коническую шестерню, изменяющую направление вращения привода.

Гипоидная зубчатая пара, соединяющая автомобильный приводной вал с дифференциалом.

Потеря тяги

Одним из нежелательных побочных эффектов открытого дифференциала является то, что он может ограничивать тягу в менее чем идеальных условиях. Сила тяги, необходимая для приведения транспортного средства в движение в любой данный момент, зависит от нагрузки в этот момент - от того, насколько тяжелое транспортное средство, какое сопротивление и трение, уклон дороги, импульс транспортного средства и так далее.

Крутящий момент, прилагаемый к каждому ведущему колесу, является результатом приложения двигателем , трансмиссией и ведущей осью крутящего усилия против сопротивления тяги на этом опорном колесе. На более низких передачах и, следовательно, на более низких скоростях, и если нагрузка не является исключительно высокой, трансмиссия может выдавать столько крутящего момента, сколько необходимо, поэтому ограничивающим фактором становится тяговое усилие под каждым колесом. Поэтому удобно определять тягу как величину силы, которая может быть передана между шиной и поверхностью дороги до того, как колесо начнет проскальзывать. Если крутящий момент, приложенный к одному из ведущих колес, превышает порог тяги, то это колесо будет вращаться и, таким образом, обеспечить крутящий момент только на другом ведомом колесе, равный трению скольжения на скользящем колесе. Уменьшенного полезного тягового усилия может быть достаточно для медленного движения автомобиля.

Открытый дифференциал (без блокировки или с другим усилением тяги) всегда передает почти равный крутящий момент на каждую сторону. Чтобы проиллюстрировать, как это может ограничить крутящий момент, прикладываемый к ведущим колесам, представьте себе простой заднеприводный автомобиль с одним задним опорным колесом на асфальте с хорошим сцеплением с дорогой, а другим на участке скользкого льда. Для вращения стороны на скользком льду требуется очень небольшой крутящий момент, и поскольку дифференциал равномерно распределяет крутящий момент на каждую сторону, крутящий момент, который прикладывается к стороне, находящейся на асфальте, ограничен этой величиной.

В зависимости от нагрузки, уклона и т. Д. Транспортному средству требуется определенный крутящий момент, приложенный к ведущим колесам, чтобы двигаться вперед. Поскольку открытый дифференциал ограничивает общий крутящий момент, прилагаемый к обоим ведущим колесам, до величины, используемой нижним ведущим колесом, умноженной на два, когда одно колесо находится на скользкой поверхности, общий крутящий момент, прилагаемый к ведущим колесам, может быть ниже минимально необходимого крутящего момента. для приведения в движение транспортного средства.

Предлагаемый альтернативный способ распределения мощности на колеса заключается в использовании концепции безредукторного дифференциала , о котором Проватидис сообщил в обзоре, но различные конфигурации, похоже, соответствуют типу «скользящих пальцев и кулачков», например как ZF B-70, доступный на ранних Фольксвагенах , или вариация шарового дифференциала .

Многие новые автомобили оснащены системой контроля тяги , которая частично смягчает плохие тяговые характеристики открытого дифференциала за счет использования антиблокировочной тормозной системы для ограничения или остановки проскальзывания колеса с низким сцеплением, увеличивая крутящий момент, который может быть приложен к противоположному колесу. Хотя он не так эффективен, как дифференциал с усилением тяги, он лучше, чем простой механический открытый дифференциал без усиления тяги.

ARB, дифференциал с пневматической блокировкой
Разрез рисунок заднего автомобиля в оси , показывая зубчатое колесо и шестерни конечного привода, а меньшие зубчатых колеса дифференциальных
Вид в разрезе автомобильного бортового привода, который содержит дифференциал.

Активные дифференциалы

Относительно новой технологией является «активный дифференциал» с электронным управлением. Электронный блок управления (ECU) , использует входные сигналы от нескольких датчиков, в том числе рыскания скорости, угла поворота рулевого колеса, и поперечное ускорение-и регулирует распределение крутящего момента для компенсации нежелательного поведения обработки , таких как поворачиваемость .

Полностью интегрированные активные дифференциалы используются на Ferrari F430 , Mitsubishi Lancer Evolution , Lexus RC F и GS F , а также на задних колесах Acura RL . Версия, производимая ZF , также предлагается на шасси Audi S4 и Audi A4 B8 . Volkswagen Golf GTI Mk7 в производительности отделки также с электронным управлением на передней оси поперечной блокировки дифференциала, также известный как VAQ. Ford Focus RS 2016 имеет дифференциал другого типа. По сути, это дает каждому колесу собственный дифференциал. Это позволяет управлять вектором крутящего момента и передавать мощность на любое колесо, которое в этом нуждается.

Интерес энтузиастов

Дрифтинг - популярный стиль автоспорта, зародившийся в горах Японии. Этот стиль вождения известен тем, что автомобиль проезжает поворот, не отрываясь от дороги. Чтобы легко завести машину в горку, водитель может использовать дифференциал повышенного трения или сварной дифференциал. Дифференциал повышенного трения заставляет колеса автомобиля вращаться с одинаковой скоростью. Поскольку внутреннее колесо автомобиля проходит меньшее расстояние, чем внешнее колесо, это вызывает пробуксовку. Это проскальзывание облегчает движение автомобиля на повороте.

Смотрите также

использованная литература

внешние ссылки