Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Дифференциал с цилиндрической зубчатой ​​передачей, созданный за счет зацепления планетарных шестерен двух соосных планетарных зубчатых передач. Кожух является водилом 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 [ править ]

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 понижающей передачей, использующей конические шестерни (это не обязательно - 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, одна медленнее), скажем, на 2 полных оборота каждая (4 полных оборота друг относительно друга), в результате чего левое колесо делает 12 оборотов, а правое колесо делает 8 оборотов.

Вращение коронной шестерни всегда является средним из вращений боковых солнечных шестерен. Именно поэтому, если ведомые roadwheels поднимаются от земли при выключенном двигателе, и вал привода удерживается (скажем, в результате чего передача в механизме предотвращения кольцевой шестерни от поворота внутри дифференциала), вручную вращая один управляемый roadwheel приводит к тому, напротив roadwheel вращаться в направлении, противоположном направлению на ту 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. Д.

Приложения [ править ]

Автомобильный дифференциал: ведущая шестерня 2 установлена ​​на водиле 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 по внешней стороне 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. В автомобилях с передним приводом коленчатый вал двигателя и валы коробки передач обычно располагаются 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 путей, по которым катятся два колеса,который, в свою очередь, определяется шириной колеи транспортного средства (расстоянием между ведущими колесами) и радиусом поворота.

Неавтомобильные виды использования дифференциалов включают выполнение аналоговой арифметики . Два из трех валов дифференциала предназначены для вращения 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. Шар был окрашен в черный и белый цвета в полушариях и графически отображал фазу луны в определенный момент времени. [1] уравнение часыв котором использовался дифференциал для сложения, был сделан в 1720 году. В 20 веке большие сборки многих дифференциалов использовались в качестве аналоговых компьютеров , вычисляющих, например, направление, в котором должно быть нацелено ружье. Однако с развитием электронных цифровых вычислительных машин такое использование дифференциалов стало устаревшим. Например, в военных целях все еще может существовать гипотетический компьютер, способный выдержать электромагнитный импульс . Практически все дифференциалы, которые сейчас производятся, используются в автомобилях и аналогичных транспортных средствах, в том числе внедорожниках, таких как квадроциклы.

История [ править ]

Существует много 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:

  • 100 г. до н.э. – 70 г. до н.э.: к этому периоду относится антикиферский механизм . Он был обнаружен в 1902 году при кораблекрушении ныряльщиками за губками , и современные исследования показывают, что он использовал дифференциальную передачу для определения угла между положениями эклиптики Солнца и Луны и, следовательно, фазы Луны. [1] [2]
  • c. 250 г. нашей эры: китайский инженер Ма Цзюнь создает первую хорошо задокументированную колесницу , указывающую на юг , предшественницу компаса, в котором для определения направления используются дифференциальные шестерни, а не магнит.
  • 1720: Джозеф Уильямсон использует дифференциальную передачу в часах.
  • 1810: Рудольф Аккерманн из Германии изобретает четырехколесную систему рулевого управления для карет, которую некоторые более поздние авторы ошибочно называют дифференциалом.
  • 1827: современный автомобильный дифференциал запатентован часовщиком Онезифором Пекером (1792–1852) из Национальной консерватории искусств и ремесел во Франции для использования в паровозе . [3] [4]
  • 1832: Ричард Робертс из Англии патентует «компенсационный механизм» - дифференциал для дорожных локомотивов .
  • 1874: Эвелинг и Портер из Рочестера, Кент, перечисляют в своем каталоге локомотив с краном, оснащенный запатентованным дифференциалом на задней оси. [5]
  • 1876: Джеймс Старли из Ковентри изобретает дифференциал с цепной передачей для использования на велосипедах ; изобретение позже использовалось на автомобилях Карлом Бенцем .
  • 1897: первое использование дифференциала на австралийской паровой машине по Дэвид Ширер .
  • 1958: Вернон Глисман патентует дифференциал Torsen с двойным приводом, тип дифференциала ограниченного трения, который полагается исключительно на действие зубчатой ​​передачи, а не на комбинацию муфт и шестерен.

Эпициклический дифференциал [ править ]

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. Планетарный 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 или кольцами.

Кольцевые шестерни также используются в стартерах .

Дифференциал прямозубой шестерни [ править ]

Дифференциал с цилиндрической шестерней имеет две прямозубые цилиндрические шестерни равного 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 держателе установлена ​​одна или несколько пар идентичных шестерен, обычно длиннее, чем их диаметр, и обычно меньше, чем цилиндрические 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 часть своей длины между двумя прямозубыми цилиндрическими шестернями 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 зубчатым колесам 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 включены. Это формирует планетарную зубчатую передачу с фиксированным передаточным числом водила R = -1 .

В этом случае основная формула планетарной зубчатой ​​передачи дает

или же

Таким образом, угловая скорость водила дифференциала прямозубой шестерни представляет собой среднее значение угловых скоростей солнечной и кольцевой шестерен. [6]

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 [ править ]

Дифференциал, используемый для управления приемной катушкой устройства для чтения бумажной ленты, созданного Талли примерно в 1962 году. Конические шестерни свободно вращаются на своих валах, если только тормозная колодка не останавливает левую шестерню. Это заставляет планетарную шестерню вращать выходной вал со скоростью, равной половине скорости ведомой шестерни справа.
Планетарный дифференциал, используемый для привода самописца около 1961 года. 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, как бы колесница ни 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 стрелку. Однако механизм был недостаточно точным, и после нескольких миль путешествия 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 для добавления уравнения времени к местному среднему времени , определяемому часовым механизмом, для получения солнечного времени , которое было бы то же самое, 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 уравнения времени. Часы Вильямсона и другие уравненияпоказывали время солнечных часов без необходимости дополнительной настройки. В настоящее время мы считаем часы «правильными», а солнечные часы - 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 транспортным средствам [ править ]

Воспроизвести медиа
"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 тяги. 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, как правило, 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 ведущий вал с дифференциалом.

Потеря тяги [ править ]

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 , приложенный к каждому приводного колеса является результатом двигателя , трансмиссии и ведущего моста , применяя крутящий силу против сопротивления тяги в то roadwheel. На более низких передачах и, следовательно, на более низких скоростях, и если нагрузка не является исключительно высокой, трансмиссия может выдавать необходимый крутящий момент, поэтому ограничивающим фактором становится тяга под каждым колесом. Поэтому удобно определять тягу как величину силы, которая может передаваться между шиной.и поверхность дороги до того, как колесо начнет буксовать. Если крутящий момент, приложенный к одному из ведущих колес, превышает порог тяги, то это колесо будет вращаться и, таким образом, обеспечивать крутящий момент только на другом ведомом колесе, равный трению скольжения на скользящем колесе. Сниженного полезного тягового усилия может быть достаточно для медленного движения автомобиля.

Открытый дифференциал (без блокировки или с другим улучшенным сцеплением) 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, а поскольку дифференциал распределяет крутящий момент поровну на каждую сторону, крутящий момент, прилагаемый к стороне, находящейся на асфальте, ограничен этой величиной. [7] [8]

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 движения автомобиля. [9]

Предлагаемый альтернативный способ распределения мощности на колеса заключается в использовании концепции безредукторного дифференциала , о котором Проватидис сообщил в обзоре [10], но различные конфигурации, похоже, соответствуют либо «скользящим штифтам и кулачкам». типа ZF B-70, доступного на ранних моделях Volkswagen , или являются вариацией 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 простого механического открытого дифференциала без усиления тяги.

ARB, дифференциал с воздушной 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, в котором находится дифференциал.

Активные дифференциалы [ править ]

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 в Acura RL . Версия, производимая ZF , также предлагается на шасси Audi S4 и Audi A4 B8 . [11] Volkswagen Golf GTI Mk7 в производительности отделки также имеет с электронным управлением на передней оси поперечной блокировки дифференциала, также известный как VAQ. [12] Ford Focus 2016 годаRS имеет другой тип дифференциальной настройки. По сути, это дает каждому колесу собственный дифференциал. Это позволяет управлять вектором крутящего момента и передавать мощность на любое колесо, которое в этом нуждается. [13]

Интерес энтузиастов [ править ]

Дрифтинг (автоспорт) - 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 проскальзывание. Это проскальзывание облегчает движение автомобиля на повороте. [14]

См. Также [ править ]

  • Шариковый дифференциал
  • Часы уравнения
  • Hermann Aron # Счетчики электроэнергии
  • Дифференциал повышенного трения
  • Блокировка дифференциала
  • Вектор крутящего момента
  • Уипплетри (механизм)

Ссылки [ править ]

  1. ^ а б Райт, MT (2007). «Пересмотр антикиферского механизма» (PDF) . Междисциплинарные научные обзоры . 32 (1) . Проверено 20 мая 2014 .
  2. ^ Представление дано NHRF в Афинах, 6 марта 2007 - MT Райт
  3. ^ Британника Интернет
  4. ^ «История автомобиля» . General Motors Canada . Проверено 9 января 2011 года .
  5. ^ Престон, JM (1987), Aveling & Porter, Ltd., Рочестер. , North Kent Books, стр. 13–14, ISBN 0-948305-03-7 включает в себя чертеж в разрезе.
  6. ^ Юикер, JJ; Пеннок, ГР; Шигле, Дж. Э. (2003). Теория машин и механизмов . Нью-Йорк: Издательство Оксфордского университета.
  7. ^ Бонник, Аллан (2001). Автомобильные компьютерные системы управления . п. 22.
  8. ^ Бонник, Аллан (2008). Автомобильные науки и математика . п. 123.
  9. ^ Chocholek, SE (1988). «Разработка дифференциала для улучшения контроля тяги» .
  10. ^ Проватидис, Кристофер Г. (2003). "Критическая презентация безредукторного дифференциала Цириггакиса". Подвижность и механика транспортных средств . 29 (4): 25–46.
  11. ^ "Пресс-релиз ZF" . ZF.com . Проверено 9 января 2011 года .
  12. ^ "Гольф VII GTI" . PistonHeads.com . Проверено 24 июня 2013 года .
  13. ^ "Ford Focus RS 2016 года получает усовершенствованную систему полного привода с вектором крутящего момента" . Автомобильный журнал . 4 ноября 2015 . Проверено 21 сентября 2020 года .
  14. ^ Skwarczek, Мэтью (29 марта 2020). "Что делает желательным дифференциал повышенного трения?" . MotorBiscuit . Проверено 21 сентября 2020 года .

Внешние ссылки [ править ]

  • Видео 3D модели открытого дифференциала
  • Popular Science , май 1946 г., Как ваша машина поворачивает повороты , большая статья с многочисленными иллюстрациями того, как работают дифференциалы.