Differensial (mekanisk enhet) - Differential (mechanical device)

En tannhjulsdifferensial konstruert ved å koble planetgirene til to koaksiale episykliske girtog. Hylsteret er bæreren for dette planetgiret.

En differensial er et girtog med tre aksler som har den egenskapen at rotasjonshastigheten til en aksel er gjennomsnittet av de andre, eller et fast multiplum av gjennomsnittet.

Funksjonell beskrivelse

Inngangsmoment påføres ringgiret (blått), som gjør hele bæreren (blå). Bæreren er koblet til begge solhjulene (rød og gul) bare gjennom planetgiret (grønt). Dreiemoment overføres til solhjulene gjennom planetgiret. Planetgiret roterer rundt bærerens akse og driver solhjulene. Hvis motstanden på begge hjulene er lik, roterer planetgiret uten å snurre om sin egen akse, og begge hjulene snur i samme hastighet.
Hvis det venstre solhjulet (rødt) støter på motstand, roterer planetgiret (grønt) så godt som det roterer, slik at det venstre solhjulet kan senke farten, med samme fart på det høyre solhjulet (gult).

Den følgende beskrivelsen av en differensial gjelder for en tradisjonell bakhjulsdrevet bil eller lastebil med åpen eller begrenset slip-differensial kombinert med et reduksjonsgir som bruker koniske gir (disse er ikke strengt nødvendige-se differensial for tannhjul ):

For eksempel, hvis bilen svinger til høyre, kan hovedringen giret 10 fulle rotasjoner. I løpet av den tiden vil venstre hjul gjøre flere rotasjoner fordi det har lengre å reise, og det høyre hjulet vil gjøre færre rotasjoner ettersom det har mindre avstand til å reise. Solhjulene (som driver akselens halve aksler) vil rotere med forskjellige hastigheter i forhold til ringgiret (en raskere, en tregere) med, for eksempel, 2 hele omdreininger hver (4 hele omdreininger i forhold til hverandre), noe som resulterer i venstre hjul gjør 12 rotasjoner, og høyre hjul gjør 8 rotasjoner.

Rotasjonen av ringgiret er alltid gjennomsnittet av rotasjonene til sideglassene. Dette er grunnen til at hvis de drevne veihjulene løftes fri av bakken med motoren av, og drivakselen holdes fast (si at du forlater girkassen i giret og forhindrer ringgiret i å snu inne i differensialen), forårsaker manuelt rotering av et drevet veihjul motsatt veihjul for å rotere i motsatt retning med samme mengde.

Når kjøretøyet kjører i en rett linje, vil det ikke være noen differensial bevegelse av det planetariske girsystemet enn de små bevegelsene som er nødvendige for å kompensere for små forskjeller i hjuldiameter, bølger i veien som gir lengre eller kortere hjulbane, etc.

applikasjoner

Fordeler differensial: Drivverket 2 er montert på bæreren 5 som støtter planetfasene 4 som griper inn i de drevne koniske tannhjulene 3 festet til akslene 1.
ZF differensial. Drivakselen kommer inn foran og de drevne akslene går til venstre og høyre.
Bil differensial på en Škoda 422

I biler og andre hjulbiler tillater differensialen at det ytre drivhjulet kan rotere raskere enn det indre drivhjulet under en sving. Dette er nødvendig når kjøretøyet svinger, slik at hjulet som beveger seg rundt utsiden av svingkurven ruller lenger og raskere enn det andre. Gjennomsnittet av rotasjonshastigheten til de to drivhjulene tilsvarer inngangshastigheten til drivakselen. En økning i hastigheten på det ene hjulet balanseres av en reduksjon i hastigheten til det andre.

Når den brukes på denne måten, kobler en differensial den langsgående inngående propellakselen til tannhjulet , som igjen driver differensialens tverrgående ringgir . Dette fungerer vanligvis også som reduksjonsgir . På bakhjulsdrevne kjøretøyer kan differensialen kobles til halvaksler inne i et akselhus, eller drivaksler som kobles til de bakre drivhjulene. Kjøretøyer med forhjulsdrift har en tendens til å ha veivaksel og girkasseaksler på tvers, og med tannhjulet på enden av girkassens motaksel og differensialet innelukket i samme hus som girkassen. Det er individuelle drivaksler til hvert hjul. En differensial består av en inngang (drivakselen) og to utganger, som er koblet til de to drivhjulene; rotasjonene til drivhjulene er imidlertid koblet til hverandre ved at de er koblet til veibanen. Under normale forhold, med lite dekkskred, er forholdet mellom hastighetene til de to drivhjulene definert av forholdet mellom radiene til banene som de to hjulene ruller rundt, noe som igjen bestemmes av sporbredden på kjøretøyet (avstanden mellom drivhjulene) og svingradien.

Ikke-bilbruk av differensialer inkluderer utførelse av analog aritmetikk . To av differensialens tre aksler er laget for å rotere gjennom vinkler som representerer (er proporsjonal med) to tall, og vinkelen på den tredje akselens rotasjon representerer summen eller forskjellen mellom de to inngangstallene. Den tidligste kjente bruken av et differensialutstyr er i Antikythera -mekanismen , rundt 80 f.Kr., som brukte et differensialutstyr for å kontrollere en liten kule som representerer månen fra forskjellen mellom sol- og månestillingspeker. Ballen ble malt svart og hvit på halvkule, og viste grafisk månefasen på et bestemt tidspunkt. En ligningsklokke som brukte en differensial for tillegg ble laget i 1720. På 1900 -tallet ble store samlinger med mange differensialer brukt som analoge datamaskiner , for eksempel for å beregne retningen en pistol skulle sikte.

Historie

Det er mange krav til oppfinnelsen av differensialgiret, men det er mulig at det var kjent, i hvert fall noen steder, i antikken. Bekreftede historiske milepæler i differansen inkluderer:

Epicyklisk differensial

Episyklisk gir brukes her for å fordele dreiemoment asymmetrisk. Inngangsakselen er den grønne hule, den gule er utgangen med lavt dreiemoment, og den rosa er utgangen med høyt dreiemoment. Kraften som brukes i de gule og de rosa tannhjulene er den samme, men siden armen på den rosa er 2 × til 3 × så stor, vil dreiemomentet være 2 × til 3 × så høyt.

En episyklisk differensial kan bruke episykliske gir for å dele og fordele dreiemoment asymmetrisk mellom for- og bakakselen. En episyklisk differensial er kjernen i Toyota Prius bilstasjon, der den kobler sammen motoren, motorgeneratorene og drivhjulene (som har en andre differensial for deling av dreiemoment som vanlig). Den har fordelen av å være relativt kompakt langs aksens lengde (det vil si solhjulsakslen).

Epicykliske tannhjul kalles også planetgir fordi aksene til planethjulene roterer rundt den vanlige aksen til solen og ringhjulene som de masker med og ruller mellom. På bildet bærer det gule skaftet solutstyret som er nesten skjult. De blå tannhjulene kalles planetgir og det rosa giret er ringgiret eller ringrommet.

Ringgir brukes også i startmotorer .

Spur-gear differensial

En differensial med tannhjul har to like store tannhjul, ett for hver halvaksel, med et mellomrom mellom dem. I stedet for Bevel -tannhjulet , også kjent som et gjæringsgir, forsamlingen ("edderkoppen") i midten av differensialen, er det en roterende bærer på samme akse som de to akslene. Dreiemoment fra en drivmotor eller girkasse , for eksempel drivakselen til en bil, roterer denne bæreren.

Montert i denne bæreren er ett eller flere par identiske tannhjul, vanligvis lengre enn diameteren, og vanligvis mindre enn tannhjulene på de enkelte halvakslene. Hvert drevpar roterer fritt på tapper som bæres av bæreren. Videre er tannhjulsparene forskjøvet aksialt, slik at de bare henger sammen for lengden på lengden mellom de to tannhjulene og roterer i motsatte retninger. Den gjenværende lengden på en gitt pinjong masker med det nærmere tannhjulet på akselen. Derfor kobler hvert tannhjul som girgiret til det andre tannhjulet, og i sin tur det andre tannhjulet, slik at når drivakselen roterer bæreren, er forholdet til tannhjulene for de enkelte hjulakslene det samme som i en fas -differensial.

En tannhjulsdifferensial er konstruert av to identiske koaksiale episykliske girtog montert med en enkelt transportør slik at planetgirene deres er i inngrep. Dette danner et planetgear med et fast bærebaneforhold R = -1 .

I dette tilfellet gir den grunnleggende formelen for planetgiret,

eller

Således er vinkelhastigheten til bæreren av et tannhjulsdifferensial gjennomsnittet av vinkelhastighetene til solen og ringformede tannhjul.

Ved å diskutere differensialen på tannhjulet er bruken av begrepet ringformet gir en praktisk måte å skille solhjulene til de to epicykliske girtogene. Det andre solhjulet tjener samme formål som det ringformede giret til et enkelt planetgir, men har tydeligvis ikke det interne giret som er typisk for et ringformet gir.

Ikke-bilapplikasjoner

Differensial som brukes til å styre opptaksspolen til en papirbåndleser laget av Tally rundt 1962. Tannhjulene roterer fritt på akslene sine, med mindre en bremsesko stopper venstre gir. Dette får planetgiret til å drive utgående aksel med halv hastighet av det drevne giret til høyre.
Planetdifferensial pleide å kjøre en kartopptaker rundt 1961. Motorene driver solen og ringformede tannhjul, mens utgangen er hentet fra planetgirholderen. Dette gir 3 forskjellige hastigheter avhengig av hvilke motorer som er på.

Kinesiske sørvendte vogner kan også ha vært veldig tidlige anvendelser av differensialer. Vognen hadde en peker som konstant pekte mot sør, uansett hvordan vognen snudde mens den reiste. Det kan derfor brukes som en type kompass . Det er utbredt oppfatning at en differensialmekanisme reagerte på enhver forskjell mellom rotasjonshastighetene til vognens to hjul, og snudde pekeren på riktig måte. Imidlertid var mekanismen ikke presis nok, og etter noen mils reise kunne skiven godt ha pekt i motsatt retning.

Den tidligste definitivt verifiserte bruken av en differensial var i en klokke laget av Joseph Williamson i 1720. Den brukte en differensial for å legge tidsligningen til lokal gjennomsnittstid , bestemt av klokkemekanismen, for å produsere soltid , som ville ha vært det samme som lesing av et solur . I løpet av 1700 -tallet ble solurene ansett for å vise den "riktige" tiden, så en vanlig klokke måtte ofte justeres på nytt, selv om den fungerte perfekt, på grunn av sesongvariasjoner i tidsligningen. Williamsons og andre ligningsklokker viste solurstid uten behov for justering. I dag anser vi klokker som "riktige" og solurene er vanligvis feil, så mange solur har instruksjoner om hvordan de skal bruke målingene for å få klokkeslett.

I første halvdel av det tjuende århundre ble det konstruert mekaniske analoge datamaskiner , kalt differensialanalysatorer , som brukte differensialtog for å utføre addisjon og subtraksjon . US Navy Mk.1 pistol brannkontrollcomputer brukte omtrent 160 differensialer av typen gir.

Et differensialtog kan brukes for å tillate en forskjell mellom to inngangsaksler. Mills brukte ofte slike gir for å påføre dreiemoment i den nødvendige aksen. Differensialer brukes også på denne måten i urmakeri for å koble to separate reguleringssystemer med det formål å beregne feil i gjennomsnitt. Greubel Forsey bruker en differensial for å koble to doble tourbillonsystemer i deres Quadruple Differential Tourbillon.

Søknad på kjøretøyer

"Around the Corner" (1937), en Jam Handy -film laget for Chevrolet som forklarer hvordan en åpen differensial fungerer

Et kjøretøy med to drivhjul har det problemet at når det svinger i et hjørne, må drivhjulene rotere i forskjellige hastigheter for å opprettholde trekkraften. Bilens differensial er designet for å kjøre et par hjul mens de kan rotere i forskjellige hastigheter. I kjøretøyer uten differensial, for eksempel karts , er begge drivhjul tvunget til å rotere med samme hastighet, vanligvis på en felles aksel som drives av en enkel kjededrevsmekanisme.

Ved sving kjører det indre hjulet en kortere avstand enn det ytre hjulet, så uten differensial roterer enten det indre hjulet for raskt eller det ytre hjulet roterer for sakte, noe som resulterer i vanskelig og uforutsigbar håndtering, skade på dekk og veier og belastning på (eller mulig svikt i) drivverket .

I biler med bakhjulsdrift kobler den sentrale drivakselen (eller propellen) differensialen gjennom et hypoidgir (ring og pinjong). Ringgiret er montert på bæreren av planetkjeden som danner differensialen. Dette hypoidgiret er et konisk gir som endrer retningen på drivrotasjonen.

Hypoid girpar som kobler en drivaksel til en differensial

Tap av trekkraft

En uønsket bivirkning av en åpen differensial er at den kan begrense trekkraften under mindre enn ideelle forhold. Mengden trekkraft som kreves for å drive kjøretøyet til enhver tid, avhenger av lasten i det øyeblikket - hvor tung bilen er, hvor mye motstand og friksjon det er, veiens stigning, kjøretøyets momentum og så videre.

Dreiemomentet som påføres hvert drivhjul er et resultat av at motoren , girkassen og drivakslen påfører en vridningskraft mot motstanden til trekkraften på det hjulet. I lavere gir, og dermed ved lavere turtall, og med mindre belastningen er usedvanlig høy, kan drivverket levere så mye dreiemoment som nødvendig, så den begrensende faktoren blir trekkraften under hvert hjul. Det er derfor praktisk å definere trekkraft som mengden kraft som kan overføres mellom dekket og veibanen før hjulet begynner å skli. Hvis dreiemomentet som påføres et av drivhjulene overstiger terskelen for trekkraft, vil det hjulet snurre og dermed bare gi dreiemoment ved det andre drevne hjulet som er lik glidefriksjonen ved glidehjulet. Den reduserte netto trekkraften kan fortsatt være nok til å drive kjøretøyet sakte.

En åpen (ikke-låsende eller på annen måte trekkstøttet) differensial gir alltid like stort dreiemoment til hver side. For å illustrere hvordan dette kan begrense dreiemomentet på drivhjulene, tenk deg et enkelt bakhjulsdrevet kjøretøy, med det ene bakhjulet på asfalt med godt grep, og det andre på en lapp av glatt is. Det tar veldig lite dreiemoment å snurre siden på glatt is, og fordi en differensial deler dreiemoment likt til hver side, er dreiemomentet som påføres siden som er på asfalt begrenset til denne mengden.

Basert på last, gradient, etc., krever kjøretøyet et visst dreiemoment påført drivhjulene for å bevege seg fremover. Siden en åpen differensial begrenser det totale dreiemomentet på begge drivhjulene til mengden som brukes av det nedre trekkhjulet multiplisert med to, når ett hjul er på en glatt overflate, kan det totale dreiemomentet som påføres drivhjulene være lavere enn minimumsmomentet som kreves for fremdrift av kjøretøy.

En foreslått alternativ måte å fordele kraft til hjulene på, er å bruke konseptet med en girløs differensial , som det er rapportert om en anmeldelse av Provatidis, men de forskjellige konfigurasjonene ser ut til å svare enten til typen "glidestifter og kammer", slik som ZF B-70 tilgjengelig på tidlige Volkswagens , eller er en variant av ballforskjellen .

Mange nyere biler har trekkraftkontroll , noe som delvis demper de dårlige trekkarakteristikkene til en åpen differensial ved å bruke blokkeringsfrie bremsesystem for å begrense eller stoppe glidningen til hjulet med lavt trekkraft, noe som øker dreiemomentet som kan påføres motsatt hjul. Selv om den ikke er like effektiv som en trekkstøttet differensial, er den bedre enn en enkel mekanisk åpen differensial uten trekkhjelp.

ARB, luftlåsende differensial
En utskåret tegning av en bils bakaksel , som viser kronhjulet og tannhjulet til den siste stasjonen, og de mindre differensialgirene
Et utsnitt av en sluttdrev for biler som inneholder differensialen

Aktive differensialer

En relativt ny teknologi er den elektronisk kontrollerte 'aktive differensialen'. En elektronisk kontrollenhet (ECU) bruker innganger fra flere sensorer, inkludert girhastighet , styreinngangsvinkel og lateral akselerasjon - og justerer fordelingen av dreiemoment for å kompensere for uønsket håndteringsatferd som for eksempel understyring .

Fullt integrerte aktive differensialer brukes på Ferrari F430 , Mitsubishi Lancer Evolution , Lexus RC F og GS F , og på bakhjulene i Acura RL . En versjon produsert av ZF tilbys også på B8 -chassiset Audi S4 og Audi A4 . Den Volkswagen Golf GTI Mk7 i Performance trimme har også en elektronisk styrt frontaksel tverrgående differensialsperre, også kjent som VAQ. Ford Focus RS 2016 har en annen type differensialoppsett. Dette gir i hovedsak hvert hjul sin egen differensial. Dette tillater Torque vectoring og kan sende kraft til ethvert hjul som trenger det.

Entusiastisk interesse

Drifting er en populær motorsportstil som har sin opprinnelse i Japans fjell. Denne kjørestilen er kjent for å skyve en bil gjennom et hjørne uten å forlate veibanen. For å enkelt få bilen inn i et lysbilde kan føreren bruke en differensial med begrenset glid eller en sveiset differensial. En differensial med begrenset glid får kjøretøyets hjul til å snu i samme hastighet. Siden det indre hjulet på bilen går en kortere distanse enn det utvendige hjulet, forårsaker dette glid. Denne glidningen er det som gjør det lettere å skyve bilen rundt en sving.

Se også

Referanser

Eksterne linker