Mechanizm różnicowy (urządzenie mechaniczne)

Przekrój tylnej osi samochodu , przedstawiający koło koronowe i zębnik przekładni głównej oraz mniejsze koła zębate mechanizmu różnicowego

Mechanizm różnicowy to przekładnia zębata z trzema wałami napędowymi , która ma tę właściwość, że prędkość obrotowa jednego wału jest średnią prędkości pozostałych lub stałą wielokrotnością tej średniej.

Opis działania

Wejściowy moment obrotowy jest przykładany do koła koronowego (niebieski), które obraca cały element nośny (niebieski). Nośnik jest połączony z obydwoma kołami słonecznymi (czerwonym i żółtym) tylko przez przekładnię planetarną (zieloną). Moment obrotowy przenoszony jest na koła słoneczne za pośrednictwem przekładni planetarnej. Przekładnia planetarna obraca się wokół osi nośnika, napędzając koła słoneczne. Jeśli opór na obu kołach jest równy, przekładnia planetarna obraca się bez obracania wokół własnej osi, a oba koła obracają się z tą samą prędkością.
Jeśli lewe koło słoneczne (czerwone) napotka opór, koło planetarne (zielone) obraca się równie dobrze, co pozwala zwolnić lewe koło słoneczne, przy równym przyspieszeniu prawego koła słonecznego (żółtego).

Poniższy opis mechanizmu różnicowego dotyczy tradycyjnego samochodu lub ciężarówki z napędem na tylne koła z mechanizmem różnicowym otwartym lub o ograniczonym poślizgu połączonym z reduktorem wykorzystującym przekładnie stożkowe (nie są one bezwzględnie konieczne; patrz § Mechanizm różnicowy z zębatką czołową ) :

Tak więc, na przykład, jeśli samochód skręca w prawo, główne koło koronowe może wykonać 10 pełnych obrotów. W tym czasie lewe koło wykona więcej obrotów, ponieważ ma więcej do przebycia, a prawe koło wykona mniej obrotów, ponieważ ma mniejszą odległość do przebycia. Koła słoneczne (które napędzają półosie) będą się obracać z różnymi prędkościami w stosunku do koła koronowego (jedna szybsza, druga wolniejsza) o, powiedzmy, 2 pełne obroty każde (4 pełne obroty względem siebie), co skutkuje lewe koło wykonuje 12 obrotów, a prawe koło 8 obrotów.

Historia

Kamienie milowe w projektowaniu lub stosowaniu mechanizmów różnicowych obejmują:

Dyferencjał epicykliczny

Przekładnia epicykliczna służy tutaj do asymetrycznego rozdziału momentu obrotowego. Wał wejściowy jest zielony, pusty, żółty to niski moment obrotowy, a różowy to wysoki moment obrotowy. Siła przyłożona do żółtego i różowego koła zębatego jest taka sama, ale ponieważ ramię różowego koła zębatego jest od 2 do 3 razy większe, moment obrotowy będzie od 2 do 3 razy większy.

Epicykliczny mechanizm różnicowy może wykorzystywać przekładnię epicykliczną do asymetrycznego rozdzielania i rozdzielania momentu obrotowego między przednią i tylną oś. Epicykliczny mechanizm różnicowy jest sercem Toyoty Prius , gdzie łączy silnik, generatory i koła napędowe (które jak zwykle mają drugi mechanizm różnicowy do rozdzielania momentu obrotowego). Ma tę zaletę, że jest stosunkowo zwarty wzdłuż swojej osi (to znaczy wału koła słonecznego).

Przekładnie epicykliczne są również nazywane przekładniami planetarnymi, ponieważ osie przekładni planetarnych obracają się wokół wspólnej osi słońca i kół zębatych, z którymi się zazębiają i toczą między nimi. Na zdjęciu żółty wał niesie koło słoneczne, które jest prawie ukryte. Niebieskie koła zębate nazywane są kołami planetarnymi, a różowe koło zębate to koło koronowe lub pierścień.

Koła koronowe są również stosowane w rozrusznikach .

Mechanizm różnicowy z zębatką czołową

Mechanizm różnicowy z kołem czołowym skonstruowany przez zazębienie kół planetarnych dwóch współosiowych przekładni planetarnych. Obudowa jest nośnikiem dla tej planetarnej przekładni zębatej.

Mechanizm różnicowy z kołem czołowym ma dwa równej wielkości koła zębate czołowe, po jednym na każdą półoś, z odstępem między nimi. Zamiast przekładni stożkowej , znanej również jako przekładnia kątowa, zespołu („pająka”) w środku mechanizmu różnicowego, znajduje się obracający się wspornik na tej samej osi co dwa wały. Moment obrotowy z głównego napędu lub przekładni , takiej jak wał napędowy samochodu, obraca ten nośnik.

W tym uchwycie zamontowana jest jedna lub więcej par identycznych kół zębatych, na ogół dłuższych niż ich średnice i zwykle mniejszych niż koła zębate czołowe na poszczególnych półośkach. Każda para zębników obraca się swobodnie na sworzniach podtrzymywanych przez element nośny. Ponadto pary kół zębatych są przemieszczane osiowo, tak że zazębiają się tylko na części swojej długości między dwoma kołami zębatymi czołowymi i obracają się w przeciwnych kierunkach. Pozostała długość danego zębnika zazębia się z bliższym kołem zębatym czołowym na jego osi. Dlatego każdy zębnik sprzęga to koło zębate z drugim zębnikiem, a z kolei z drugim kołem zębatym, tak że gdy wał napędowy obraca element nośny, jego stosunek do kół zębatych poszczególnych osi kół jest taki sam, jak w skośnym -mechanizm różnicowy.

Mechanizm różnicowy z kołem czołowym jest zbudowany z dwóch identycznych współosiowych przekładni planetarnych połączonych z jednym jarzmem w taki sposób, że ich koła obiegowe są włączone. Tworzy to przekładnię planetarną ze stałym przełożeniem zespołu nośnego R = -1 .

W tym przypadku podstawowy wzór na wydajność przekładni planetarnej,

Lub

Zatem prędkość kątowa wspornika mechanizmu różnicowego z kołem czołowym jest średnią prędkości kątowych koła słonecznego i pierścieniowego . [ potrzebna strona ]

Aplikacje

ZF . Wał napędowy wchodzi od przodu, a napędzane osie poruszają się w lewo iw prawo.

W samochodach i innych pojazdach kołowych mechanizm różnicowy umożliwia szybsze obracanie się zewnętrznego koła napędowego niż wewnętrznego koła napędowego podczas zakrętu. Jest to konieczne, gdy pojazd skręca, powodując, że koło poruszające się po zewnętrznej stronie krzywej skrętu toczy się dalej i szybciej niż drugie. Średnia prędkości obrotowej dwóch kół napędowych jest równa wejściowej prędkości obrotowej wału napędowego. Wzrost prędkości jednego koła jest równoważony spadkiem prędkości drugiego.

Używany w ten sposób mechanizm różnicowy łączy wał napędowy wzdłużnego wejścia z kołem zębatym , który z kolei napędza poprzeczne koło koronowe mechanizmu różnicowego. Zwykle działa to również jako przekładnia redukcyjna . W pojazdach z napędem na tylne koła mechanizm różnicowy może łączyć się z półosiami wewnątrz obudowy osi lub wałami napędowymi, które łączą się z tylnymi kołami napędowymi. Pojazdy z napędem na przednie koła mają zwykle wał korbowy silnika i wały skrzyni biegów ustawione poprzecznie, a koło zębate na końcu wałka pośredniego skrzyni biegów i mechanizm różnicowy są zamknięte w tej samej obudowie co skrzynia biegów. Każde koło ma osobne wały napędowe. Mechanizm różnicowy składa się z jednego wejścia (wał napędowy) i dwóch wyjść, które są połączone z dwoma kołami napędowymi; jednak obroty kół napędowych są ze sobą sprzężone poprzez ich połączenie z jezdnią. W normalnych warunkach, przy małym poślizgu opon, stosunek prędkości dwóch kół napędowych jest określony przez stosunek promieni torów, po których toczą się oba koła, który z kolei jest określony przez rozstaw kół pojazdu (odległość między kołami napędowymi) oraz promień skrętu.

Zastosowania różniczkowe niezwiązane z motoryzacją obejmują wykonywanie arytmetyki analogowej . Dwa z trzech wałków mechanizmu różnicowego obracają się o kąty, które reprezentują (są do nich proporcjonalne) dwie liczby, a kąt obrotu trzeciego wału reprezentuje sumę lub różnicę dwóch liczb wejściowych. Najwcześniejsze znane zastosowanie mechanizmu różnicowego występuje w mechanizmie z Antykithiry około 80 roku pne, który wykorzystywał mechanizm różnicowy do kontrolowania małej kuli reprezentującej księżyc na podstawie różnicy między wskaźnikami pozycji słońca i księżyca. Kula została pomalowana na czarno-biało na półkulach i graficznie przedstawiała fazę księżyca w określonym momencie. Zegar z równaniem , który wykorzystywał różnicę do dodawania, powstał w 1720 r. W XX wieku duże zespoły wielu różnic były używane jako komputery analogowe , obliczające na przykład kierunek, w którym należy wycelować broń.

Aplikacje motoryzacyjne

Samochodowy mechanizm różnicowy: Napędowe koło zębate 2 jest zamontowane na jarzmie 5, które podtrzymuje planetarne koła zębate stożkowe 4, które współpracują z napędzanymi kołami zębatymi stożkowymi 3 przymocowanymi do osi 1.
„Around the Corner” (1937), film Jam Handy nakręcony dla Chevroleta , wyjaśniający, jak działa otwarty mechanizm różnicowy

Problem z pojazdem z dwoma kołami napędowymi polega na tym, że podczas skręcania w zakręcie koła napędowe muszą obracać się z różnymi prędkościami, aby utrzymać przyczepność. Samochodowy mechanizm różnicowy jest przeznaczony do napędzania pary kół, umożliwiając im obracanie się z różnymi prędkościami. W pojazdach bez mechanizmu różnicowego, takich jak gokarty , oba koła napędowe są zmuszane do obracania się z tą samą prędkością, zwykle na wspólnej osi napędzanej przez prosty mechanizm napędu łańcuchowego.

Podczas pokonywania zakrętów koło wewnętrzne pokonuje krótszą odległość niż koło zewnętrzne, więc bez mechanizmu różnicowego albo koło wewnętrzne obraca się zbyt szybko, albo koło zewnętrzne obraca się zbyt wolno, co powoduje trudne i nieprzewidywalne prowadzenie, uszkodzenie opon i nawierzchni oraz obciążenie na (lub ewentualną awarię) układu napędowego .

Para przekładni hipoidalnych, która łączy wał napędowy samochodu z mechanizmem różnicowym

W samochodach z napędem na tylne koła centralny wał napędowy (lub wał napędowy) współpracuje z mechanizmem różnicowym poprzez przekładnię hipoidalną (pierścień i zębnik). Koło koronowe jest zamontowane na wsporniku łańcucha planetarnego, który tworzy mechanizm różnicowy. Ta przekładnia hipoidalna jest przekładnią stożkową, która zmienia kierunek obrotów napędu.

Utrata przyczepności

Niepożądanym efektem ubocznym otwartego mechanizmu różnicowego jest to, że może on ograniczać przyczepność w mniej niż idealnych warunkach. Wielkość przyczepności wymagana do napędzania pojazdu w danym momencie zależy od obciążenia w danym momencie — ciężaru pojazdu, oporu i tarcia, nachylenia drogi, pędu pojazdu i tak dalej.

Moment obrotowy przykładany do każdego koła napędowego jest wynikiem działania silnika , skrzyni biegów i osi napędowej na siłę skręcającą przeciw oporowi przyczepności tego koła jezdnego. Na niższych biegach, a więc i przy mniejszych prędkościach, o ile obciążenie nie jest wyjątkowo duże, układ napędowy może dostarczyć tyle momentu obrotowego, ile potrzeba, więc czynnikiem ograniczającym staje się przyczepność pod każdym kołem. Dlatego wygodnie jest zdefiniować przyczepność jako wielkość siły, która może zostać przeniesiona między oponą a nawierzchnią drogi, zanim koło zacznie się ślizgać. Jeśli moment obrotowy przyłożony do jednego z kół napędowych przekroczy próg przyczepności, to koło to będzie się obracać, a tym samym zapewni moment obrotowy tylko na drugim kole napędzanym równy tarciu ślizgowemu na kole ślizgowym. Zmniejszona przyczepność netto może nadal być wystarczająca do powolnego napędzania pojazdu.

Otwarty (nieblokujący lub w inny sposób wspomagany trakcją) mechanizm różnicowy zawsze dostarcza prawie równy moment obrotowy na każdą stronę. Aby zilustrować, w jaki sposób może to ograniczyć moment obrotowy przekazywany na koła napędowe, wyobraź sobie prosty z napędem na tylne koła , z jednym tylnym kołem jezdnym na asfalcie o dobrej przyczepności, a drugim na skrawku śliskiego lodu. Potrzeba bardzo niewielkiego momentu obrotowego, aby obrócić bok na śliskim lodzie, a ponieważ mechanizm różnicowy rozdziela moment obrotowy równo na każdą stronę, moment obrotowy przykładany do strony, która znajduje się na asfalcie, jest ograniczony do tej wartości.

W zależności od obciążenia, nachylenia itp., pojazd wymaga pewnego momentu obrotowego przyłożonego do kół napędowych, aby poruszać się do przodu. Ponieważ otwarty mechanizm różnicowy ogranicza całkowity moment obrotowy przyłożony do obu kół napędowych do wielkości wykorzystywanej przez dolne koło napędowe pomnożonej przez dwa, gdy jedno koło znajduje się na śliskiej nawierzchni, całkowity moment obrotowy przyłożony do kół napędowych może być niższy niż wymagany minimalny moment obrotowy do napędu pojazdów.

Aktywne dyferencjały

Volkswagen Golf GTI Mk7 w wersji Performance posiada elektronicznie sterowaną poprzeczną blokadę mechanizmu różnicowego przedniej osi, znaną również jako VAQ. Ford Focus RS 2016 ma inny typ konfiguracji mechanizmu różnicowego. Zasadniczo daje to każdemu kole własny mechanizm różnicowy. Pozwala to na wektorowanie momentu obrotowego i może przesyłać moc do dowolnego koła, które tego potrzebuje.

Zainteresowanie entuzjastów

Drifting to popularny styl sportów motorowych, który ma swoje korzenie w górach Japonii. Ten styl jazdy znany jest z poślizgu samochodu na zakręcie bez opuszczania nawierzchni drogi. Aby łatwo wprowadzić samochód w poślizg, kierowca może użyć mechanizmu różnicowego o ograniczonym poślizgu lub mechanizmu różnicowego z blokadą. Mechanizm różnicowy o ograniczonym poślizgu ogranicza różnicę prędkości obrotowych wałów wyjściowych, zapobiegając obracaniu się kół po jednej stronie, powodując utratę całego momentu obrotowego przez drugie koło. Ponieważ wewnętrzne koło samochodu pokonuje krótszą odległość niż koło zewnętrzne, powoduje to poślizg w ciasnym zakręcie. Ten poślizg ułatwia poślizg samochodu na zakręcie.

Aplikacje inne niż motoryzacyjne

szpulą odbiorczą czytnika taśmy perforowanej firmy Tally około 1962 r. Koła zębate stożkowe obracają się swobodnie na swoich wałach, chyba że szczęka hamulcowa zatrzymuje lewy bieg. Powoduje to, że przekładnia planetarna napędza wał wyjściowy z połową prędkości napędzanego koła zębatego po prawej stronie.
Planetarny mechanizm różnicowy używany do napędzania rejestratora wykresów około 1961 roku. Silniki napędzają słońce i koła zębate pierścieniowe, a moc wyjściowa jest pobierana z obsady przekładni planetarnej. Daje to 3 różne prędkości w zależności od tego, które silniki są włączone.

Chińskie rydwany skierowane na południe mogły również być bardzo wczesnymi zastosowaniami mechanizmów różnicowych. Rydwan miał wskazówkę, która stale wskazywała południe, bez względu na to, jak rydwan się obracał podczas jazdy. Dlatego może być używany jako rodzaj kompasu . Powszechnie uważa się, że mechanizm różnicowy reagował na każdą różnicę między prędkościami obrotowymi dwóch kół rydwanu i odpowiednio obracał wskazówkę. Jednak mechanizm nie był wystarczająco precyzyjny i po kilku kilometrach podróży tarcza równie dobrze mogła wskazywać w zupełnie przeciwnym kierunku.

Najwcześniejsze zdecydowanie zweryfikowane użycie mechanizmu różnicowego miało miejsce w zegarze wykonanym przez Josepha Williamsona w 1720 r. Zastosowano różniczkę, aby dodać równanie czasu do lokalnego czasu średniego , określonego przez mechanizm zegara, w celu uzyskania czasu słonecznego , który byłby tak samo jak odczyt zegara słonecznego . W XVIII wieku uważano, że zegary słoneczne pokazują „właściwy” czas, więc zwykły zegar często wymagał ponownej regulacji, nawet jeśli działał idealnie, z powodu sezonowych zmian w równaniu czasu. Zegary równań Williamsona i innych pokazywały czas słoneczny bez konieczności ponownej regulacji. W dzisiejszych czasach uważamy, że zegary są „poprawne”, a zegary słoneczne zwykle nieprawidłowe, więc wiele zegarów słonecznych zawiera instrukcje, jak korzystać z ich odczytów, aby uzyskać czas zegarowy.

W pierwszej połowie XX wieku skonstruowano mechaniczne komputery analogowe , zwane analizatorami różnicowymi , które wykorzystywały przekładnie różnicowe do wykonywania dodawania i odejmowania . Komputer kierowania ogniem działa US Navy Mk.1 wykorzystywał około 160 mechanizmów różnicowych typu stożkowego.

Marsjańskie łaziki Spirit i Opportunity wykorzystywały mechanizmy różnicowe w swoich wahaczach , aby utrzymać równowagę ciała łazika, gdy koła po lewej i prawej stronie poruszają się w górę iw dół po nierównym terenie. Łaziki Curiosity i Perseverance wykorzystywały drążek różnicowy zamiast kół zębatych do wykonywania tej samej funkcji .

Zobacz też

Linki zewnętrzne

Pobrano z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Differential_(mechanical_device)&oldid=1140957820 ”