Дифференциал (механическое устройство)

редактировать

Дифференциал с цилиндрической зубчатой ​​передачей, созданный путем включения планетарных шестерен двух соосных планетарных зубчатых передач. Кожух является водилом для этой планетарной зубчатой ​​передачи.

A дифференциал - это зубчатая передача с тремя валами , обладающая свойством скорости вращения одного вала - это среднее значение скоростей других или фиксированное кратное этому среднему значению.

Содержание
  • 1 Обзор
  • 2 История
  • 3 Эпициклический дифференциал
  • 4 Дифференциал с цилиндрической шестерней
  • 5 Неавтомобильные приложения
  • 6 Применение в транспортных средствах
  • 7 Функциональное описание
  • 8 Потеря тяги
  • 9 Активные дифференциалы
  • 10 Интерес энтузиастов
  • 11 См. Также
  • 12 Ссылки
  • 13 Внешние ссылки
Обзор
Автомобильный дифференциал: ведущая шестерня 2 установлен 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 внешнее ведущее колесо, чтобы вращаться быстрее внутреннего ведущего колеса 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 вход 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, как правило, коленчатый вал двигателя и валы коробки передач расположены поперечно, а шестерня находится на конце промежуточного вала коробки передач, а дифференциал заключен 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, которое, в свою очередь, определяется шириной колеи колес. автомобиль (расстояние между ведущими колесами) и радиус поворота.

Неавтомобильные виды использования дифференциалов включают выполнение аналога арифметических операций. 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 - в механизме Antikythera, около 80 г. до н.э., в котором использовалась дифференциальная передача 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. уравнительные часы, в которых использовался дифференциал для сложения, были созданы в 1720 году. В 20 веке большие сборки многих дифференциалов использовались как аналоговые компьютеры, вычисляющие, например, направление в какой пистолет должен быть нацелен. Однако с развитием электронных цифровых вычислительных машин такое использование дифференциалов стало устаревшим. Например, в военных целях может существовать и гипотетический компьютер, способный выдерживать электромагнитный импульс. Практически все дифференциалы, которые сейчас производятся, используются в автомобилях и аналогичных транспортных средствах, включая внедорожники, такие как квадроциклы.

История

Есть много пунктов формулы изобретения на изобретение 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.: антикиферский механизм был датирован этим периодом. Он был обнаружен в 1902 году во время кораблекрушения ныряльщиками с губками, и современные исследования показывают, что он использовал дифференциальную передачу для определения угла между положениями эклиптики Солнца и Луны и, следовательно, фазы Луны.
  • с. 250 г. н.э.: 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 Акерманн из Германии изобретает четырехколесную систему рулевого управления для карет, которую некоторые более поздние авторы ошибочно называют дифференциал.
  • 1827: современный автомобильный дифференциал запатентован часовщиком Onésiphore Pecqueur (1792–1852) из ​​Национальной консерватории искусств и ремесел во Франции для использования на паровозе .
  • 1832: Ричард Робертс из Англии патентует «компенсационное устройство», дифференциал для дорожных локомотивов.
  • 1874: Aveling и Портер из Рочестер, Кент перечисляют в своем каталоге локомотив с краном, оснащенный запатентованным дифференциалом на задней оси.
  • 1876: Джеймс Старли из Ковентри инв. дифференциал цепной передачи для использования на велосипедах ; изобретение, позднее использованное в автомобилях Карлом Бенцем.
  • 1897 г.: первое использование дифференциала на австралийском паровозе Дэвидом Ширером.
  • 1958 г.: патент на Torsen дифференциал с двойным приводом, тип дифференциала повышенного трения, который полагается исключительно на действие зубчатой ​​передачи, а не на комбинацию муфт и шестерен.
Эпициклический дифференциал
Эпициклический привод здесь используется 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.

Эпициклический дифференциал может используйте планетарную передачу для разделения и распределения крутящего момента асимметрично 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, потому что оси планетарных шестерен вращаются вокруг общей оси солнца и кольцевых шестерен, с которыми они зацепляются 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 стартерных двигателях.

Дифференциал с цилиндрическими зубчатыми колесами

Дифференциал с цилиндрическими зубчатыми колесами имеет две прямозубые шестерни одинакового размера, по одной на каждую половину вала, с пробелом 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, например, приводного вала автомобиля, вращает этот водил.

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 цилиндрическими цилиндрическими шестернями и вращаются в противоположных направлениях. Оставшаяся длина данной шестерни входит в зацепление с ближайшей цилиндрической шестерней на ее оси. Таким образом, 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 и в конической. -шестерни 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 R = -1.

В этом случае основная формула планетарной зубчатой ​​передачи дает:

ω s - ω c ω a - ω c = - 1, {\ displaystyle {\ frac {\ omega _ {s} - \ omega _ {c}} {\ omega _ {a} - \ omega _ {c}}} = - 1,}{\ displaystyle {\ frac {\ omega _ {s} - \ omega _ {c}} {\ omega _ {a} - \ omega _ {c}}} = - 1,} или ω c = 1 2 (ω s + ω a). {\ displaystyle \ omega _ {c} = {\ frac {1} {2}} (\ omega _ {s} + \ omega _ {a}).}{\ displaystyle \ omega _ {c} = {\ frac {1} {2}} (\ omega _ {s} + \ omega _ {a}).}

Таким образом, угловая скорость носителя Дифференциал 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 шестерен. зубчатые передачи. 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
Дифференциал, используемый для управления приемной катушкой устройства считывателя бумажной ленты производства Tally около 1962 г. Конические шестерни свободно вращаются на своих валах, если тормозная колодка не останавливает левую шестерню. Это приводит к тому, что планетарная передача приводит в движение 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 различные скорости в зависимости от того, какие двигатели включены.

Китайские колесницы, указывающие на юг, возможно, также были очень ранними применениями дифференциалов. У колесницы был указатель, который постоянно указывал на юг, как бы колесница ни вращалась во время движения. Поэтому его можно использовать как разновидность компаса. 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 достоверно подтвержденное использование дифференциала было в часах, сделанных Джозефом Вильямсоном в 1720 году. В нем использовался дифференциал, чтобы добавить уравнение времени к местному среднему времени, как определено часовым механизмом, для получения солнечного времени, которое было бы таким же, как показание 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. Уильямсон и другие часы с уравнениями показывали солнечные часы 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 сконструированы механические аналоговые компьютеры, называемые дифференциальные анализаторы, которые использовали дифференциальные зубчатые передачи для выполнения сложения и вычитание. В ЭВМ управления огнем пушки ВМС США Mk.1 использовалось около 160 дифференциалов конического типа.

Можно использовать дифференциальную зубчатую передачу, чтобы учесть разницу между двумя ведущими осями. Мельницы часто использовали такие шестерни для приложения крутящего момента по требуемой оси. Дифференциалы также используются в часовом производстве, чтобы связать две отдельные системы регулировки с целью усреднения ошибок. Greubel Forsey использует дифференциал для соединения двух систем с двойным турбийоном в своем четырехдифференциальном турбийоне.

Применение к автомобилям
Файл: «За углом» (1937 г.)) 24 кадра в секунду selection.webm Play media «За углом» (1937), фильм Jam Handy, снятый для Chevrolet, объясняющий, как открыт дифференциал работает

Проблема автомобиля с двумя ведущими колесами заключается 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 транспортных средствах без дифференциала, таких как карт, оба ведущих колеса вынуждены вращаться с одинаковой скоростью, обычно на общей оси, приводимой в движение простым цепным приводным механизмом.

В поворотах 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 шины и дороги, а также напряжение (или возможное повреждение) трансмиссии.

В автомобилях с задним приводом центральный ведущий вал (или карданный вал) входит в зацепление с дифференциалом через гипоидная шестерня (кольцо и шестерня). 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
Функциональное описание
Входной крутящий момент прикладывается к коронной шестерне (синяя), которая вращает все водило (синее). 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 вращающийся, позволяющий замедлить левую солнечную шестерню с равным ускорением правой солнечной шестерни (желтого цвета).

Следующее описание дифференциала применимо к традиционному заднеприводному автомобилю или грузовику с открытый или ограниченный дифференциал в сочетании с редуктором, использующим конические шестерни (это не обязательно - см. прямозубый дифференциал):

Так, например, если автомобиль движется поворот вправо, главная коронная шестерня может сделать 10 полных оборотов. В течение этого времени левое колесо будет делать больше оборотов, потому что ему нужно двигаться дальше, а правое колесо будет делать меньше оборотов, поскольку 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 различного движения планетарной системы шестерен, кроме незначительных движений, необходимых для компенсации небольших различий в диаметре колес, неровностей дороги, которые создают более длинный или короткий путь колеса и т. д.

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 того, что двигатель, трансмиссия и ведущая ось прилагают крутящую силу против сопротивления клавиши тягового при этом roadwheel. 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 тяга под каждым колесом. Поэтому удобно определять тягу как величину силы, которая может передаваться 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, 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 усилением тяги) всегда передает почти равный крутящий момент на каждую сторону. Чтобы проиллюстрировать, как это может ограничивать 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 распределяет крутящий момент поровну на каждую сторону, крутящий момент, прилагаемый к стороне, находящейся на асфальте, ограничен этой величиной.

На основе из-за 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 силовой установки 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 либо типа "скользящие штифты и кулачки", такие как ZF B-70, доступные на ранних Volkswagens, или являются разновидностью шарового дифференциала.

многих новых автомобилей функция антипробуксовочная система, 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 можно применить 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 A чертеж в разрезе задней оси автомобиля, показывающий ведущую шестерню и шестерню последней привод и меньшие шестерни дифференциала Вид в разрезе автомобильной главной передачи, которая содержит дифференциал
Активные дифференциалы

Относительно новой технологией является «активный дифференциал» с электронным управлением. Электронный блок управления (ЭБУ) использует входные данные от нескольких датчиков, включая скорость рыскания, угол поворота рулевого колеса и поперечное ускорение, и регулирует распределение крутящего момента на компенсировать нежелательное поведение при управляемости, такое как недостаточная 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, выпускаемая ZF, также предлагается на шасси B8 Audi S4 и Audi A4. Volkswagen Golf GTI Mk7 в комплектации Performance также имеет блокировку поперечного дифференциала передней оси с электронным управлением, также известную как VAQ. Ford Focus RS 2016 года выпуска имеет дифференциал другого типа. По сути, это дает каждому колесу собственный дифференциал. Это позволяет векторизацию крутящего момента и может передавать мощность на любое колесо, которое в этом нуждается.

Enthusiast Interest

Дрифтинг (автоспорт) - это популярный стиль автоспорта, который берет свое начало в горы Японии. Этот стиль вождения известен тем, что автомобиль проезжает поворот, не отрываясь от дороги. Чтобы легко поставить автомобиль 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.

См. Также
Ссылки
Внешние ссылки
На Викискладе есть материалы, связанные с Автомобильными дифференциалами.
Последняя правка сделана 2021-05-17 05:43:53
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте