stringtranslate.com

Дифференциал (механическое устройство)

Дифференциал – это зубчатая передача с тремя приводными валами , свойство которой состоит в том, что скорость вращения одного вала является средней скоростью других. Дифференциалы обычно используются в автомобилях , чтобы позволить колесам на каждом конце ведущей оси вращаться с разной скоростью при прохождении поворотов. Другие области применения включают часы и аналоговые компьютеры .

Дифференциалы также могут обеспечивать передаточное число между входным и выходным валами (так называемое «передаточное число оси» или «передаточное число дифференциала»). Например, многие дифференциалы в автомобилях обеспечивают понижение передаточного числа за счет меньшего количества зубьев на шестерне , чем на кольцевой шестерне .

История

Вехи в разработке или использовании дифференциалов включают в себя:

Использование в колесных транспортных средствах

Цель

Фильм 1937 года о том, как работают дифференциалы

При прохождении поворота внешние колеса автомобиля должны двигаться дальше, чем внутренние (поскольку они имеют больший радиус). Это легко реализовать, когда колеса не соединены , однако для ведущих колес это становится сложнее , поскольку оба колеса связаны с двигателем (обычно через трансмиссию). В некоторых транспортных средствах (например, картингах и трамваях ) используются оси без дифференциала, что обеспечивает пробуксовку колес при прохождении поворотов. Однако для улучшения проходимости на поворотах многие автомобили используют дифференциал, который позволяет двум колесам вращаться с разной скоростью.

Целью дифференциала является передача мощности двигателя на колеса, при этом позволяя колесам вращаться с разной скоростью, когда это необходимо. Ниже показан принцип работы кольцевого дифференциала.

  • Работа дифференциала при движении по прямой:
    входной крутящий момент прикладывается к зубчатому венцу (фиолетовый), который вращает водило (фиолетовый) с той же скоростью. Когда сопротивление обоих колес одинаково, планетарная шестерня (зеленая) не вращается вокруг своей оси (хотя шестерня и ее штифт вращаются по орбите из-за того, что они прикреплены к водилу). Это заставляет солнечные шестерни (красную и желтую) вращаться с одинаковой скоростью, в результате чего колеса автомобиля также вращаются с одинаковой скоростью.
  • Работа дифференциала при повороте налево:
    входной крутящий момент прикладывается к зубчатому венцу (фиолетовый), который вращает водило (фиолетовый) с той же скоростью. Левая солнечная шестерня (красная) оказывает большее сопротивление, чем правая солнечная шестерня (желтая), в результате чего планетарная шестерня (зеленая) вращается против часовой стрелки. Это приводит к более медленному вращению левой солнечной шестерни и более быстрому вращению правой солнечной шестерни, в результате чего правое колесо автомобиля вращается быстрее (и, следовательно, движется дальше), чем левое колесо.

Конструкция с кольцом и шестерней

Изображение кольцевого дифференциала заднеприводного автомобиля
Принципиальная схема кольцевого дифференциала

В заднеприводных автомобилях используется относительно простая конструкция дифференциала , при этом коронная шестерня приводится в движение ведущей шестерней, соединенной с трансмиссией. Функции данной конструкции заключаются в изменении оси вращения на 90 градусов (от карданного вала к полуосям) и обеспечении уменьшения передаточного числа .

Компонентами кольцевого дифференциала, показанными на принципиальной схеме справа, являются: 1. Выходные валы ( оси ) 2. Ведущая шестерня 3. Выходные шестерни 4. Планетарные передачи 5. Водило 6. Входная шестерня 7. Входной вал ( карданный вал )

Эпициклический дизайн

Схема системы планетарной передачи

Эпициклический дифференциал использует эпициклическую передачу для передачи определенных пропорций крутящего момента на переднюю и заднюю ось полноприводного автомобиля. [ нужна цитация ] Преимущество эпициклической конструкции заключается в том, что она имеет относительно компактную ширину (если смотреть вдоль оси входного вала). [ нужна цитата ]

Конструкция цилиндрической шестерни

Прямозубый дифференциал

Дифференциал с цилиндрической шестерней имеет на каждом конце цилиндрические шестерни одинакового размера, каждая из которых соединена с выходным валом. [7] Входной крутящий момент (т.е. от двигателя или трансмиссии) передается на дифференциал через вращающееся водило. [7] Пары шестерен расположены внутри водила и свободно вращаются на пальцах, поддерживаемых водилом. Пары шестерен зацепляются только на части своей длины между двумя прямозубыми шестернями и вращаются в противоположных направлениях. Оставшаяся длина данной шестерни входит в зацепление с ближайшей прямозубой шестерней на ее оси. Каждая шестерня соединяет соответствующую прямозубую шестерню с другой прямозубой шестерней (через другую шестерню). Поскольку водило вращается (за счет входного крутящего момента), соотношение между скоростями входного (т. е. водила) и выходного валов такое же, как и у других типов открытых дифференциалов.

Цилиндрические дифференциалы используются в американском переднеприводном автомобиле Oldsmobile Toronado . [7] [ необходимо дальнейшее объяснение ]

Блокировка дифференциалов

Блокирующиеся дифференциалы способны преодолеть главное ограничение стандартного открытого дифференциала, по существу «блокируя» оба колеса на оси вместе, как если бы они были на общем валу. Это заставляет оба колеса вращаться синхронно, независимо от тяги (или ее отсутствия), доступной каждому колесу по отдельности. Когда эта функция не требуется, дифференциал можно «разблокировать», чтобы он функционировал как обычный открытый дифференциал.

Блокирующиеся дифференциалы в основном используются на внедорожниках для преодоления поверхностей с плохим сцеплением и поверхностей с переменным сцеплением.

Дифференциалы повышенного трения

Нежелательным побочным эффектом обычного («открытого») дифференциала является то, что он может передавать большую часть мощности на колесо с меньшим сцеплением (сцеплением). [8] [9] В ситуации, когда одно колесо имеет пониженное сцепление (например, из-за сил на поворотах или поверхности с низким сцеплением под одним колесом), открытый дифференциал может вызвать пробуксовку колес в шине с меньшим сцеплением, в то время как шина с большим сцеплением получает очень мало мощности для движения автомобиля вперед. [10]

Чтобы избежать такой ситуации, используются самоблокирующиеся дифференциалы различных конструкций , ограничивающие разницу в мощности, передаваемой на каждое из колес.

Векторизация крутящего момента

Векторизация крутящего момента — это технология, используемая в автомобильных дифференциалах, которая позволяет изменять крутящий момент на каждой полуоси с помощью электронной системы; или в железнодорожных транспортных средствах, которые достигают того же, используя колеса с индивидуальным приводом. В случае с автомобилями он используется для повышения устойчивости или способности автомобиля проходить повороты.

Другое использование

Планетарный дифференциал использовался для привода самописца примерно в 1961 году. Двигатели приводят в движение Солнце и кольцевые шестерни, а выходной сигнал поступает от водила планетарной шестерни. Это дает 3 различные скорости в зависимости от того, какие двигатели включены.

Неавтомобильное использование дифференциалов включает выполнение аналоговой арифметики . Два из трех валов дифференциала вращаются на углы, которые представляют (пропорциональны) двум числам, а угол поворота третьего вала представляет собой сумму или разность двух входных чисел. Самое раннее известное использование дифференциала относится к механизму Антикитеры, около 80 г. до н.э., который использовал дифференциал для управления небольшой сферой, изображающей Луну, на основе разницы между указателями положения Солнца и Луны. Шар был раскрашен в черно-белые полушария и графически показывал фазу Луны в конкретный момент времени. [1] Часы с уравнениями , в которых для сложения использовался дифференциал, были созданы в 1720 году. В 20 веке большие сборки множества дифференциалов использовались в качестве аналоговых компьютеров , вычисляя, например, направление, в котором следует нацелить пистолет. [11]

Устройства, похожие на компас

Китайские колесницы, направленные на юг, возможно, также были очень ранним применением дифференциалов. У колесницы был указатель, который постоянно указывал на юг, как бы колесница ни поворачивалась во время движения. Поэтому его можно было использовать как своего рода 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 точен, и после нескольких миль пути циферблат мог указывать в неправильном направлении.

Часы

Самое раннее подтвержденное использование дифференциала было в часах, сделанных Джозефом Уильямсоном в 1720 году. В них дифференциал использовался для добавления уравнения времени к местному среднему времени , определенному часовым механизмом, для получения солнечного времени , которое было бы то же, что чтение солнечных часов . В 18 веке считалось, что солнечные часы показывают «правильное» время, поэтому обычные часы часто приходилось перенастраивать, даже если они работали идеально, из-за сезонных изменений в уравнении времени. Часы Уильямсона и других уравнений показывали время по солнечным часам без необходимости корректировки. В настоящее время мы считаем, что часы «правильные», а солнечные часы обычно неправильные, поэтому на многих солнечных часах есть инструкции о том, как использовать их показания для определения времени.

Аналоговые компьютеры

Дифференциальные анализаторы , разновидность механического аналогового компьютера , использовались примерно с 1900 по 1950 годы. В этих устройствах использовались дифференциальные зубчатые передачи для выполнения сложения и вычитания.

В компьютере управления огнем пушки ВМС США Mk.1 использовалось около 160 дифференциалов конического типа.

Подвеска автомобиля

Марсоходы Spirit и Opportunity (оба запущены в 2004 году) использовали дифференциалы в подвесках качающейся тележки , чтобы поддерживать баланс тела марсохода, когда колеса слева и справа перемещаются вверх и вниз по неровной местности. [12] Марсоходы Curiosity и Perseverance использовали дифференциал вместо шестерен для выполнения той же функции . [13]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ аб Райт, Монтана (2007). «Пересмотр Антикитерского механизма» (PDF) . Междисциплинарные научные обзоры . 32 (1): 27–43. Бибкод : 2007ISRv...32...27W. дои : 10.1179/030801807X163670. S2CID  54663891 . Проверено 8 июня 2023 г.
  2. ^ Нидхэм, Джозеф (1986). Наука и цивилизация в Китае . Тайбэй: Пещерные книги. 4 Часть 2: 296–306. {{cite journal}}: Отсутствует или пусто |title=( помощь ) [ отсутствует заголовок ]
  3. ^ «История автомобиля». Дженерал Моторс Канада . Проверено 9 января 2011 г.
  4. ^ Престон, Дж. М. (1987). Aveling & Porter, Ltd. Рочестер . Книги Северного Кента. стр. 13–14. ISBN 0-948305-03-7.
  5. ^ "Паровая машина Дэвида Ширера в Маннуме в 1897 году - первая в Австралии - с первым в мире дифференциалом" . АделаидаAZ.com . Проверено 27 февраля 2023 г.
  6. ^ «Изобретатель автомобильных технологий - наследие Вернона Глисмана» . AutoChannel.com . Проверено 27 августа 2023 г.
  7. ^ abc «Что такое дифференциал прямозубой шестерни?». SergeantClutchDiscountTransmission.com . Проверено 27 марта 2023 г.
  8. ^ Бонник, Аллан (2001). Автомобильные системы с компьютерным управлением. п. 22. ISBN 9780750650892.
  9. ^ Бонник, Аллан (2008). Автомобильная наука и математика. п. 123. ИСБН 9780750685221.
  10. ^ Чочолек, SE (1988). «Разработка дифференциала для улучшения контроля тяги».
  11. ^ Основные механизмы в компьютерах управления огнем, Часть 1, Валы, шестерни, кулачки и дифференциалы, опубликовано как «Винтажные компьютеры управления огнем ВМС США» (учебный фильм). ВМС США. 1953 год. Событие происходит на 37 секунде. МН-6783а. Архивировано из оригинала 18 ноября 2021 года . Проверено 20 сентября 2021 г.
  12. ^ "Колеса вездехода". Mars.NASA.gov . Проверено 18 января 2023 г.
  13. ^ "Система мобильности Curiosity, с маркировкой" . Планетарный.орг . Проверено 18 января 2023 г.

Внешние ссылки

Викискладе есть медиафайлы, связанные с автомобильными дифференциалами .