Diferenciál (mechanické zařízení) - Differential (mechanical device)
Rozdíl je ozubené soukolí se třemi hřídeli , která má tu vlastnost, že rychlost otáčení jednoho hřídele je průměrem rychlostí druhých nebo pevnou násobku tohoto průměru.
Funkční popis
Následující popis diferenciálu se vztahuje na tradiční osobní nebo nákladní vůz s pohonem zadních kol s diferenciálem s otevřeným nebo omezeným prokluzem kombinovaným s redukční převodovkou s kuželovými koly (nejsou nezbytně nutné-viz diferenciál s čelním ozubeným kolem ):
Pokud například vůz zatáčí doprava, hlavní prstencové kolo může provést 10 úplných otáček. Během této doby provede levé kolo více otáček, protože má dále dojezd, a pravé kolo provede méně otáček, protože má menší vzdálenost k cestování. Sluneční převody (které pohánějí poloviční hřídele nápravy) se budou otáčet různými rychlostmi vzhledem k ozubenému věnci (jeden rychlejší, jeden pomalejší), řekněme, o 2 celé otáčky každý (4 plné otáčky vůči sobě), což má za následek levé kolo provede 12 otáček a pravé kolo provede 8 otáček.
Otáčení ozubeného věnce je vždy průměrem otáček bočních slunečních kol. To je důvod, proč jsou -li poháněná kola nadzvednuta ze země s vypnutým motorem a hnací hřídel je držena (řekněme ponecháním převodu v převodu, který brání tomu, aby se ozubené kolo otáčelo uvnitř diferenciálu), ruční otáčení jednoho poháněného kola způsobí protější kolo, aby se otáčelo v opačném směru o stejnou hodnotu.
Když vozidlo jede po přímce, nedojde k žádnému jinému pohybu planetové soustavy převodů než k minutovým pohybům nezbytným k vyrovnání drobných rozdílů v průměru kola, zvlnění na silnici, které vede k delší nebo kratší dráze kola, atd.
Aplikace
V automobilech a jiných kolových vozidlech umožňuje diferenciál během otáčky otáčet vnější hnací kolo rychleji než vnitřní hnací kolo. To je nutné, když se vozidlo otáčí, takže kolo, které se pohybuje kolem vnější strany zatáčky, se odvalí dále a rychleji než ostatní. Průměr otáček obou hnacích kol se rovná vstupní rychlosti otáčení hnacího hřídele. Zvýšení rychlosti jednoho kola je vyváženo snížením rychlosti druhého kola.
Při použití tímto způsobem diferenciál spojuje podélný vstupní hnací hřídel s pastorkem , který zase pohání příčný prstencový převod diferenciálu. To také obvykle funguje jako redukční převodovka . U vozidel s pohonem zadních kol se diferenciál může připojit k poloosám uvnitř skříně nápravy nebo hnacím hřídelům, které se připojují k zadním hnacím kolům. Vozidla s pohonem předních kol mívají klikový hřídel motoru a hřídele převodovky příčné a s pastorkem na konci předlohového hřídele převodovky a diferenciálu uzavřeným ve stejném krytu jako převodovka. Každé kolo má individuální hnací hřídele. Diferenciál se skládá z jednoho vstupu (hnací hřídel) a dvou výstupů, které jsou spojeny se dvěma hnacími koly; otáčky hnacích kol jsou však navzájem spojeny jejich spojením s vozovkou. Za normálních podmínek, při malém prokluzu pneumatik, je poměr rychlostí dvou hnacích kol definován poměrem poloměrů drah, kolem kterých se obě kola valí, což je zase určeno šířkou rozchodu vozidlo (vzdálenost mezi hnacími koly) a poloměr zatáčky.
Non-automobilové použití diferenciálů zahrnuje provádění analogové aritmetiky . Dva ze tří hřídelů diferenciálu jsou otočeny o úhly, které představují (jsou úměrná) dvěma číslům, a úhel natočení třetí hřídele představuje součet nebo rozdíl dvou vstupních čísel. Nejdříve známé použití diferenciálu je v mechanismu Antikythéry , kolem 80 BCE, který používal diferenciál k ovládání malé koule představující měsíc z rozdílu mezi ukazateli polohy slunce a měsíce. Míč byl namalován černobíle na polokoulích a graficky ukazoval fázi měsíce v určitém časovém bodě. Rovnice hodiny , které používá diferenciál pro přidání byla provedena v roce 1720. V 20. století, velké sestavy mnoho rozdílů byly použity jako analogové počítače , výpočtu, například směr, ve kterém by měly být zaměřeny zbraň.
Dějiny
Existuje mnoho nároků na vynález diferenciálu, ale je možné, že to bylo známé, alespoň na některých místech, ve starověku. Mezi potvrzené historické milníky diferenciálu patří:
- 100 př. N. L. - 70 př. N. L .: Do tohoto období byl datován mechanismus Antikythéry . Byl objeven v roce 1902 na vraku lodi houbaři a moderní výzkum naznačuje, že k určení úhlu mezi ekliptickými polohami Slunce a Měsíce, a tím i fáze Měsíce, použil diferenciální převod.
- C. 250 n. L.: Čínský inženýr Ma Jun vytvořil první dobře zdokumentovaný jižně mířící vůz , předchůdce kompasu, který pomocí diferenciálních převodů rozezná směr spíše než magnet.
- 1720: Joseph Williamson používá v hodinách diferenciál.
- 1810: Rudolph Ackermann z Německa vynalezl systém řízení čtyř kol pro kočáry, který někteří pozdější spisovatelé mylně uvádějí jako diferenciál.
- 1827: moderní automobilový diferenciál patentovaný hodinářem Onésiphore Pecqueur (1792–1852) z Conservatoire National des Arts et Métiers ve Francii pro použití na parním vagónu .
- 1832: Richard Roberts z Anglie patentoval „převod kompenzace“, diferenciál pro silniční lokomotivy .
- 1874: Aveling a Porter z Rochesteru, Kent uvedli ve svém katalogu jeřábovou lokomotivu vybavenou patentovaným diferenciálem na zadní nápravě.
- 1876: James Starley z Coventry vynalezl diferenciál s řetězovým pohonem pro použití na jízdních kolech ; vynález později použil na automobilech Karl Benz .
- 1897: První použití diferenciálu na australském parním autu ze strany David Shearer .
- 1958: Vernon Gleasman si nechal patentovat diferenciál s dvojitým pohonem Torsen , což je typ diferenciálu s omezeným prokluzem, který spoléhá výhradně na převodový poměr, namísto kombinace spojek a převodů.
Epicyklický diferenciál
Epicyklický diferenciál může pomocí epicyklického řazení rozdělovat a rozdělovat točivý moment asymetricky mezi přední a zadní nápravu. Epicyklický diferenciál je srdcem automobilového hnacího ústrojí Toyota Prius , kde propojuje motor, motorgenerátory a hnací kola (která mají jako obvykle druhý diferenciál pro dělení točivého momentu). Má tu výhodu, že je relativně kompaktní po celé délce své osy (tj. Hřídele centrálního kola).
Epicyklická ozubená kola se také nazývají planetová ozubená kola, protože osy planetových kol se otáčejí kolem společné osy slunce a prstencových ozubených kol, s nimiž se prolínají a mezi nimiž se převalují. Na obrázku nese žlutý hřídel sluneční kolo, které je téměř skryté. Modré převody se nazývají planetové převody a růžové ozubené kolo je prstencové ozubené kolo nebo prstenec.
Prstencové převody se používají také ve spouštěcích motorech .
Čelní převodový diferenciál
Diferenciál čelního ozubeného kola má dvě čelní ozubená kola stejné velikosti, pro každou poloviční hřídel jeden, s mezerou mezi nimi. Místo kuželového ozubeného kola , známého také jako pokosové kolo, sestava („pavouk“) ve středu diferenciálu, je na stejné ose jako dva hřídele rotující nosič. Krouticí moment od hlavního hybatele nebo převodovky , jako je hnací hřídel automobilu, otáčí tímto nosičem.
V tomto nosiči je namontován jeden nebo více párů stejných ozubených kol, obecně delší než jejich průměry a typicky menší než čelní ozubená kola na jednotlivých poloosách. Každý pár pastorků se volně otáčí na kolících podporovaných nosičem. Kromě toho jsou páry pastorků axiálně posunuty tak, že zabírají pouze pro část své délky mezi dvěma čelními ozubenými koly a otáčejí se v opačných směrech. Zbývající délka daného pastorku je v záběru s bližším čelním kolem na jeho nápravě. Proto každý pastorek spojuje čelní ozubené kolo s druhým pastorkem a následně další čelní ozubené kolo, takže když hnací hřídel otáčí nosičem, jeho vztah k ozubeným kolům pro jednotlivé nápravy kol je stejný jako u úkosu -převodový diferenciál.
Diferenciál čelního ozubeného kola je konstruován ze dvou identických souosých epicyklických soukolí sestavených s jediným unášečem tak, že jsou zapojeny jejich planetové převody. Tím se vytvoří planetový soukolí s pevným převodovým poměrem R = -1 .
V tomto případě základní vzorec pro planetový soukolí přináší,
Úhlová rychlost nosiče diferenciálu čelního ozubeného kola je tedy průměrem úhlových rychlostí slunečních a prstencových ozubených kol.
Při diskusi o diferenciálu čelního ozubeného kola je použití termínu prstencové ozubené kolo pohodlným způsobem, jak odlišit sluneční ozubená kola obou epicyklických soukolí. Druhé centrální kolo slouží ke stejnému účelu jako prstencové ozubené kolo jednoduchého planetového soukolí, ale zjevně nemá vnitřní ozubené kolo, které je typické pro prstencové ozubené kolo.
Non-automobilové aplikace
Čínské vozy směřující na jih mohly být také velmi rané aplikace diferenciálů. Vůz měl ukazatel, který neustále ukazoval na jih, bez ohledu na to, jak se vůz při cestování otáčel. Mohl by proto být použit jako typ kompasu . Všeobecně se má za to, že diferenciální mechanismus reagoval na jakýkoli rozdíl mezi rychlostmi otáčení dvou kol vozu a vhodně natočil ukazatel. Mechanismus však nebyl dostatečně přesný a po několika kilometrech cesty mohl číselník velmi dobře ukazovat zcela opačným směrem.
Nejdříve definitivně ověřené použití diferenciálu bylo v hodinách vyrobených Josephem Williamsonem v roce 1720. Použilo diferenciál k přidání rovnice času k místnímu střednímu času , určenému hodinovým mechanismem, k vytvoření slunečního času , který by byl stejné jako čtení slunečních hodin . Během 18. století byly sluneční hodiny považovány za ukazatele „správného“ času, takže obyčejné hodiny musely být často přizpůsobovány, i když fungovaly perfektně, kvůli sezónním výkyvům v časové rovnici. Hodiny Williamsona a dalších rovnic ukazovaly sluneční hodiny, aniž by bylo nutné je znovu nastavovat. V dnešní době považujeme hodiny za „správné“ a sluneční hodiny obvykle nesprávné, takže mnoho slunečních hodin nese návod, jak pomocí jejich měření získat hodinový čas.
V první polovině dvacátého století byly zkonstruovány mechanické analogové počítače , nazývané diferenciální analyzátory , které pomocí diferenciálních soukolí prováděly sčítání a odčítání . Počítač řízení palby amerického námořnictva Mk.1 používal asi 160 diferenciálů typu kuželových kol.
K umožnění rozdílu mezi dvěma vstupními nápravami lze použít diferenciální soukolí. Mlýny často používaly takové převody k aplikaci točivého momentu v požadované ose. Diferenciály se tímto způsobem také používají při výrobě hodinek k propojení dvou samostatných regulačních systémů s cílem průměrovat chyby. Greubel Forsey používá diferenciál k propojení dvou systémů dvojitého tourbillonu v jejich Quadruple Differential Tourbillon.
Aplikace na vozidla
Vozidlo se dvěma hnacími koly má problém, že v zatáčce se hnací kola musí otáčet různými rychlostmi, aby byla zachována trakce. Automobilový diferenciál je navržen tak, aby poháněl dvojici kol a současně jim umožňoval otáčet se různými rychlostmi. U vozidel bez diferenciálu, jako jsou motokáry , jsou obě hnací kola nucena otáčet se stejnou rychlostí, obvykle na společné nápravě poháněné jednoduchým řetězovým pohonem.
V zatáčkách projede vnitřní kolo kratší vzdálenost než vnější kolo, takže bez diferenciálu se buď vnitřní kolo otáčí příliš rychle, nebo se vnější kolo otáčí příliš pomalu, což má za následek obtížnou a nepředvídatelnou manipulaci, poškození pneumatik a silnic a namáhání na (nebo možné poruše) hnacího ústrojí .
V automobilech s pohonem zadních kol centrální hnací hřídel (nebo hnací hřídel) zabírá diferenciál prostřednictvím hypoidního převodu (prsten a pastorek). Kruhové ozubené kolo je uloženo na nosiči planetového řetězu, který tvoří diferenciál. Tento hypoidní převod je kuželový převod, který mění směr otáčení pohonu.
Ztráta trakce
Jedním z nežádoucích vedlejších účinků otevřeného diferenciálu je, že může omezovat trakci za méně než ideálních podmínek. Množství trakce potřebné k pohonu vozidla v daném okamžiku závisí na zatížení v daném okamžiku - jak těžké je vozidlo, jak velký je odpor a tření, sklon vozovky, hybnost vozidla atd.
Točivý moment aplikovaný na každé hnací kolo je výsledkem toho, že motor , převodovka a hnací náprava aplikují kroutící sílu proti odporu trakce na daném kolečku. Při nižších rychlostních stupních, a tedy při nižších rychlostech, a pokud není zatížení mimořádně vysoké, může hnací ústrojí dodávat tolik točivého momentu, kolik je potřeba, takže limitujícím faktorem se stává tah pod každým kolem. Je proto vhodné definovat trakci jako množství síly, kterou lze přenášet mezi pneumatikou a povrchem vozovky, než kolo začne prokluzovat. Pokud točivý moment aplikovaný na jedno z hnacích kol překročí práh trakce, pak se toto kolo roztočí a poskytne tak točivý moment pouze u druhého hnaného kola, který se rovná kluznému tření u prokluzujícího kola. Snížená čistá trakce může stále stačit k pomalému pohonu vozidla.
Otevřený (neblokovací nebo jinak trakčně podporovaný) diferenciál dodává na každou stranu téměř stejný točivý moment. Pro ilustraci, jak to může omezit točivý moment působící na hnací kola, si představte jednoduché vozidlo s pohonem zadních kol , přičemž jedno zadní kolo na asfaltu s dobrou přilnavostí a druhé na kousku kluzkého ledu. Otočení boku na kluzkém ledu vyžaduje velmi malý točivý moment, a protože diferenciál rozděluje točivý moment rovnoměrně na každou stranu, točivý moment, který je aplikován na stranu, která je na asfaltu, je omezen na toto množství.
Na základě zatížení, stoupání atd. Vozidlo potřebuje k pohybu vpřed určité množství točivého momentu aplikovaného na hnací kola. Protože otevřený diferenciál omezuje celkový točivý moment aplikovaný na obě hnací kola na množství použité dolním trakčním kolem vynásobené dvěma, když je jedno kolo na kluzkém povrchu, může být celkový točivý moment aplikovaný na hnací kola nižší než minimální požadovaný točivý moment pro pohon vozidla.
Navrhovaný alternativní způsob rozdělování síly na kola je použít koncept bezpřevodového diferenciálu , o kterém společnost Provatidis informovala o přezkoumání, ale zdá se, že různé konfigurace odpovídají buď typu „posuvné čepy a vačky“, jako je jako ZF B-70 k dispozici na raných Volkswagenech , nebo jsou variací kulového diferenciálu .
Mnoho novějších vozidel je vybaveno kontrolou trakce , která částečně zmírňuje špatné trakční vlastnosti otevřeného diferenciálu pomocí protiblokovacího systému k omezení nebo zastavení prokluzu kola s nízkou trakcí, čímž se zvyšuje točivý moment, který lze aplikovat na protilehlé kolo. I když to není tak účinné jako diferenciál podporovaný trakcí, je lepší než jednoduchý mechanický otevřený diferenciál bez podpory trakce.
Aktivní diferenciály
Relativně novou technologií je elektronicky řízený „aktivní diferenciál“. Elektronická řídicí jednotka (ECU) používá vstupy z více senzorů, včetně stáčení rychlostí, vstupní úhel řízení a příčného zrychlení-a upravuje rozdělení kroutícího momentu pro kompenzaci nežádoucí manipulaci chování, jako je nedotáčivosti .
Plně integrované aktivní diferenciály jsou použity u vozů Ferrari F430 , Mitsubishi Lancer Evolution , Lexus RC F a GS F a na zadních kolech modelu Acura RL . Verze vyráběná společností ZF je nabízena také na podvozcích B8 Audi S4 a Audi A4 . Volkswagen Golf GTI Mk7 v inscenaci čalounění má také elektronicky řízené přední nápravy příčná uzávěrka diferenciálu, také známý jako VAQ. 2016 Ford Focus RS má jiný typ nastavení diferenciálu. To v podstatě dává každému kolu vlastní diferenciál. To umožňuje vektorování točivého momentu a může posílat energii na jakékoli kolo, které to potřebuje.
Zájem nadšenců
Drifting je populární styl motoristického sportu, který má svůj původ v japonských horách. Tento styl jízdy je známý tím, že klouže autem zatáčkou, aniž by opustil povrch vozovky. Aby řidič snadno dostal auto do skluzu, může použít diferenciál s omezeným prokluzem nebo svařovaný diferenciál. Díky diferenciálu s omezeným prokluzem se kola vozidla otáčí stejnou rychlostí. Vzhledem k tomu, že vnitřní kolo automobilu jede kratší vzdálenost než vnější kolo, způsobuje to prokluz. Toto prokluzování usnadňuje klouzání auta kolem zatáčky.
Viz také
- Kulový diferenciál
- Hodiny s rovnicemi
- Hermann Aron#Elektroměry
- Diferenciál s omezeným prokluzem
- Uzavírací diferenciál
- Vektorování točivého momentu
- Whippletree (mechanismus)
Reference
externí odkazy
- Video 3D modelu otevřeného diferenciálu
- Popular Science , květen 1946, How Your Car Turns Corners , velký článek s mnoha ilustracemi o tom, jak fungují diferenciály