Дифференциал — это зубчатая передача с тремя ведущими валами , которая обладает свойством, что скорость вращения одного вала является средним значением скоростей других. Обычно дифференциалы используются в автомобилях , чтобы позволить колесам на каждом конце ведущей оси вращаться с разной скоростью при поворотах. Другие применения включают часы и аналоговые компьютеры . Дифференциалы также могут обеспечивать передаточное отношение между входным и выходным валами (называемое «передаточным отношением оси» или «передаточным отношением дифференциала»). Например, многие дифференциалы в автомобилях обеспечивают передаточное отношение, имея меньше зубьев на шестерне, чем на коронной шестерне .
История
Основные этапы проектирования и использования дифференциалов включают в себя:
100 г. до н.э.–70 г. до н.э.: Антикитерский механизм датируется этим периодом. Он был обнаружен в 1902 г. на корабле, затонувшем в 1902 г., ловцами губок , и современные исследования показывают, что он использовал дифференциальную передачу для определения угла между эклиптическими положениями Солнца и Луны, и, таким образом, фазы Луны. [1] [ необходимо разъяснение ]
около 250 г. н. э .: китайский инженер Ма Цзюнь создает первую хорошо документированную колесницу, указывающую на юг , предшественника компаса. Механизм ее действия неясен, хотя некоторые инженеры 20-го века выдвигали аргумент, что она использовала дифференциальную передачу. [2] [ необходимо разъяснение ]
1810: Рудольф Аккерман из Германии изобретает систему рулевого управления четырьмя колесами для повозок, которую некоторые более поздние авторы ошибочно называют дифференциалом.
1823: Аза Арнольд разрабатывает дифференциальную трансмиссию для использования в хлопкопрядильной промышленности . Конструкция быстро распространяется по Соединенным Штатам и в Соединенное Королевство. [3]
1874: Эвелинг и Портер из Рочестера, графство Кент, вносят в свой каталог крановый локомотив, оснащенный их запатентованной дифференциальной передачей на задней оси. [5]
1876: Джеймс Старли из Ковентри изобретает цепной приводной дифференциал для использования на велосипедах ; изобретение позднее использовал в автомобилях Карл Бенц .
1897: Во время строительства своего австралийского парового автомобиля Дэвид Ширер впервые использовал дифференциал в автомобиле. [6]
Во время поворота внешние колеса транспортного средства должны проходить больше, чем внутренние (так как они находятся на большем радиусе). Это легко достигается, когда колеса не соединены , однако для ведущих колес это становится сложнее , так как оба колеса соединены с двигателем (обычно через трансмиссию). Некоторые транспортные средства (например, картинги и трамваи ) используют оси без дифференциала, таким образом полагаясь на пробуксовку колес при повороте. Однако для улучшения способности прохождения поворота многие транспортные средства используют дифференциал, который позволяет двум колесам вращаться с разной скоростью.
Цель дифференциала — передавать мощность двигателя на колеса, при этом позволяя колесам вращаться с разной скоростью, когда это необходимо. Иллюстрация принципа работы дифференциала с кольцом и шестерней показана ниже.
Работа дифференциала при движении по прямой: Входной крутящий момент прикладывается к коронной шестерне (фиолетовая), которая вращает водило (фиолетовое) с одинаковой скоростью. Когда сопротивление от обоих колес одинаково, планетарная шестерня (зеленая) не вращается вокруг своей оси (хотя шестерня и ее штифт вращаются по орбите из-за прикрепления к водилу). Это заставляет солнечные шестерни (красная и желтая) вращаться с одинаковой скоростью, в результате чего колеса автомобиля также вращаются с одинаковой скоростью.
Работа дифференциала при повороте налево: Входной крутящий момент прикладывается к коронной шестерне (фиолетовая), которая вращает водило (фиолетовую) с той же скоростью. Левая солнечная шестерня (красная) оказывает большее сопротивление, чем правая солнечная шестерня (желтая), что заставляет планетарную шестерню (зеленую) вращаться 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, таким образом, проходит большее расстояние), чем левое колесо.
Конструкция с кольцом и шестерней
Иллюстрация дифференциала с зубчатым венцом и шестерней для автомобиля с задним приводомПринципиальная схема дифференциала с шестернями и кольцами
Сравнительно простая конструкция дифференциала используется в заднеприводных автомобилях, где коронная шестерня приводится в движение шестерней, соединенной с трансмиссией. Функциями этой конструкции являются изменение оси вращения на 90 градусов (от карданного вала к полуосям) и обеспечение понижения передаточного отношения .
Компоненты дифференциала с зубчатым венцом и шестерней, показанные на принципиальной схеме справа: 1. Выходные валы ( оси ) 2. Ведущая шестерня 3. Выходные шестерни 4. Планетарные шестерни 5. Водило 6. Входная шестерня 7. Входной вал ( приводной вал )
Планетарный дифференциал использует планетарную передачу для передачи определенных пропорций крутящего момента на переднюю и заднюю ось в полноприводном автомобиле. [ необходима цитата ] Преимущество планетарной конструкции заключается в том, что она имеет относительно компактную ширину (если смотреть вдоль оси ее входного вала). [ необходима цитата ]
Конструкция с прямозубой шестерней
Дифференциал с цилиндрической зубчатой передачей
Дифференциал с цилиндрическими зубчатыми колесами имеет на каждом конце по одному цилиндрическому зубчатому колесу одинакового размера, каждое из которых соединено с выходным валом. [8] Входной крутящий момент (т. е. от двигателя или трансмиссии) подается на дифференциал через вращающееся водило. [8] Пары шестерен расположены внутри водила и свободно вращаются на штифтах, поддерживаемых водилом. Пары шестерен зацепляются только на части своей длины между двумя цилиндрическими зубчатыми колесами и вращаются в противоположных направлениях. Оставшаяся длина данной шестерни зацепляется с ближайшей цилиндрической шестерней на ее оси. Каждая шестерня соединяет связанную цилиндрическую шестерню с другой цилиндрической шестерней (через другую шестерню). Когда водило вращается (входным крутящим моментом), соотношение между скоростями входа (т. е. водила) и выходных валов такое же, как и у других типов открытых дифференциалов.
Блокирующиеся дифференциалы способны преодолеть главное ограничение стандартного открытого дифференциала, по сути «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.
Блокируемые дифференциалы в основном используются на внедорожных транспортных средствах для преодоления поверхностей с низким и 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 (тягой). [9] [10] В ситуации, когда одно колесо имеет сниженное сцепление (например, из-за сил на повороте или поверхности с низким сцеплением под одним колесом), открытый дифференциал может вызвать пробуксовку колеса в шине с меньшим сцеплением, в то время как шина с большим сцеплением получает очень мало мощности для движения автомобиля вперед. [11]
Чтобы избежать этой ситуации, используются различные конструкции дифференциалов повышенного трения, 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 самого с помощью индивидуально приводимых колес. В случае автомобилей она используется для повышения устойчивости или поворотливости транспортного средства.
Другие применения
Планетарный дифференциал, используемый для привода самописца, около 1961 г. 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.
Неавтомобильное использование дифференциалов включает выполнение аналоговой арифметики . Два из трех валов дифференциала сделаны 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 Антикиферы, около 80 г. до н. э., который использовал дифференциальную передачу для управления небольшой сферой, представляющей Луну, из разницы между указателями положения Солнца и Луны. Шар был окрашен в черный и белый цвета в полусферах и графически показывал фазу Луны в определенный момент времени. [1] Уравнительные часы , которые использовали дифференциал для сложения, были сделаны в 1720 году. В 20 веке большие сборки многих дифференциалов использовались в качестве аналоговых компьютеров , вычисляя, например, направление, в котором должно быть направлено оружие. [12]
Устройства, похожие на компас
Китайские колесницы, указывающие на юг, также могли быть очень ранними применениями дифференциалов. Колесница имела указатель, который постоянно указывал на юг, независимо от того, как колесница поворачивалась во время движения. Поэтому ее можно было использовать как своего рода компас . Широко распространено мнение, что дифференциальный механизм реагировал на любую разницу между скоростями вращения двух колес колесницы и поворачивал указатель соответствующим образом. Однако механизм был недостаточно точным, 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. Они использовали дифференциал для добавления уравнения времени к местному среднему времени , определяемому часовым механизмом, для получения солнечного времени , которое было бы таким же, как показания 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 колебаний в уравнении времени. Часы с уравнением Уильямсона и другие показывали солнечное время без необходимости перенастройки. В настоящее время мы считаем часы «правильными», а солнечные часы обычно неверными, поэтому многие солнечные часы имеют инструкции о том, как использовать их показания для получения времени часов.
Аналоговые компьютеры
Дифференциальные анализаторы , тип механического аналогового компьютера, использовались примерно с 1900 по 1950 год. Эти устройства использовали дифференциальные зубчатые передачи для выполнения сложения и вычитания.
Подвеска транспортного средства
Марсоходы Spirit и Opportunity (оба запущены в 2004 году) использовали дифференциальные передачи в своих подвесках с качающимися тележками для поддержания равновесия корпуса марсохода, когда колеса слева и справа двигаются вверх и вниз по неровной местности. [13] Марсоходы Curiosity и Perseverance использовали дифференциальный стержень вместо передач для выполнения той же функции. [14]
^ "История автомобиля". General Motors Canada . Получено 9 января 2011 г.
^ Preston, JM (1987). Aveling & Porter, Ltd. Рочестер . North Kent Books. стр. 13–14. ISBN0-948305-03-7.
^ "Паровая машина Дэвида Ширера в Маннуме в 1897 году — первая в Австралии — с первым в мире дифференциалом". AdelaideAZ.com . Получено 27 февраля 2023 г.
^ «Изобретатель автомобильных технологий – наследие Вернона Глизмана». TheAutoChannel.com . Получено 27 августа 2023 г. .
^ abc "Что такое дифференциал с цилиндрической шестерней?". SergeantClutchDiscountTransmission.com . Получено 27 марта 2023 г. .
^ Бонник, Аллан (2001). Автомобильные компьютерные системы управления. Elsevier Science & Technology Books. стр. 22. ISBN9780750650892.
^ Бонник, Аллан (2008). Автомобильная наука и математика. Butterworth-Heinemann. стр. 123. ISBN9780750685221.
^ Чохолек, С. Э. (1988). «Разработка дифференциала для улучшения контроля тяги».
↑ Базовые 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. Событие происходит на 37 секунде. MN-6783a. Архивировано из оригинала 18 ноября 2021 г. Получено 20 сентября 2021 г.
^ "Rover Wheels". Mars.NASA.gov . Получено 18 января 2023 г. .
^ "Curiosity Mobility System, Labeled". Planetary.org . Получено 18 января 2023 г. .
Дальнейшее чтение
Popular Science, май 1946 г., «Как ваш автомобиль поворачивает», большая статья с многочисленными иллюстрациями о том, как работают дифференциалы.
Внешние ссылки
На Викискладе есть медиафайлы по теме Автомобильные дифференциалы .
.jpg/1280px-Differential_(Manual_of_Driving_and_Maintenance).jpg)
.jpg/1280px-Spur_gear_differential_(Manual_of_Driving_and_Maintenance).jpg)
