Tasauspyörästö (mekaaninen laite) - Differential (mechanical device)
Ero on hammaspyörästö , jossa on kolme akselia , jotka on sellainen ominaisuus, että pyörimisnopeus on yksi akseli on keskiarvo nopeudet muut, tai kiinteä moninkertainen verrattuna keskimäärin.
Toiminnallinen kuvaus
Seuraava kuvaus tasauspyörästöstä koskee perinteistä takapyörävetoista autoa tai kuorma-autoa, jossa on avoin tai rajoitettu luisto-tasauspyörästö ja kartiohammaspyörästöä käyttävä alennusvaihde (nämä eivät ole ehdottoman välttämättömiä-katso hammaspyörä-ero ):
Esimerkiksi, jos auto tekee käännöksen oikealle, päärengasvaihde voi tehdä 10 täyttä kierrosta. Tänä aikana vasen pyörä tekee enemmän kierroksia, koska sen matka on pidempi, ja oikea pyörä tekee vähemmän kierroksia, koska sillä on vähemmän matkaa. Aurinkohammaspyörät (jotka käyttävät akselin puoliakseleita) pyörivät eri nopeuksilla suhteessa rengasvaihteeseen (yksi nopeampi, yksi hitaampi), esimerkiksi, 2 täydellä kierroksella (4 täyttä kierrosta toisiinsa nähden), jolloin vasen pyörä tekee 12 kierrosta ja oikea pyörä 8 kierrosta.
Rengaspyörän pyörintä on aina sivuttaisten hammaspyörien kierrosten keskiarvo. Tästä syystä, jos ajettavat pyörät nostetaan irti maasta moottorin ollessa sammutettuna ja vetoakselia pidetään kiinni (esimerkiksi, jos vaihteisto jätetään vaihteelle, jolloin hammaspyörä ei pyöri tasauspyörästön sisällä), yhden käyttöpyörän kääntäminen manuaalisesti aiheuttaa pyörää vastakkaiseen suuntaan.
Kun ajoneuvo kulkee suorassa linjassa, planeettojen hammaspyöräjärjestelmässä ei tapahdu muuta liikettä kuin pieniä liikkeitä, jotka ovat tarpeen kompensoimaan pieniä eroja pyörän halkaisijassa, aaltoja tiellä, jotka tekevät pidemmän tai lyhyemmän pyörätien, jne.
Sovellukset
On autojen ja muiden pyörillä varustettujen ajoneuvojen ero mahdollistaa sen, että ulompi vetopyörän pyörimään nopeammin kuin sisemmän vetopyörän kääntymisen aikana. Tämä on välttämätöntä, kun ajoneuvo kääntyy, jolloin kääntymiskäyrän ulkopuolen ympäri liikkuva pyörä vierii kauemmas ja nopeammin kuin toinen. Kahden vetopyörän pyörimisnopeuden keskiarvo on yhtä suuri kuin vetoakselin syöttönopeus. Yhden pyörän nopeuden lisääntyminen tasapainottuu toisen pyörän nopeuden vähenemisen kanssa.
Kun käytetään tällä tavoin ero parit pituussuunnassa tulo potkurin akseli on hammaspyörä , joka puolestaan käyttää poikittaisten hammaskehä on ero. Tämä toimii yleensä myös alennusvaihteena . Takapyörävetoisissa ajoneuvoissa tasauspyörästö voi kytkeytyä akselipesän sisällä oleviin puoliakseleihin tai vetäviin akseleihin, jotka yhdistyvät takapyöriin. Etuvetoisissa ajoneuvoissa on yleensä moottorin kampiakseli ja vaihteiston akselit poikittain ja hammaspyörävaihteiston vasta-akselin päässä ja tasauspyörästön ollessa samassa kotelossa kuin vaihdelaatikko. Jokaisessa pyörässä on yksittäiset vetoakselit. Tasauspyörästö koostuu yhdestä tulosta (vetoakseli) ja kahdesta ulostulosta, jotka on kytketty kahteen vetopyörään; käyttöpyörien pyörimiset on kuitenkin kytketty toisiinsa liittämällä ne ajoradalle. Normaaliolosuhteissa, pienellä renkaan luistamisella, kahden vetopyörän nopeuksien suhde määritetään niiden polkujen säteiden suhteella, joiden ympärillä kaksi pyörää pyörii, mikä puolestaan määräytyy renkaan leveyden mukaan. ajoneuvoon (vetävien pyörien välinen etäisyys) ja kääntösäteen.
Tasauspyörien muihin kuin autoihin liittyviin käyttötarkoituksiin kuuluu analogisen aritmeettisen suorittaminen . Kaksi tasauspyörästön kolmesta akselista on pyöritetty kulmien läpi, jotka edustavat (ovat verrannollisia) kahteen numeroon, ja kolmannen akselin pyörimiskulma edustaa kahden tulonumeron summaa tai eroa. Varhaisin tunnettu tasauspyörästön käyttö on Antikythera -mekanismissa , noin 80 eaa., Joka käytti differentiaalivaihdetta hallitakseen pientä palloa, joka edustaa kuuta auringon ja kuun asento -osoittimien välisestä erosta. Pallo oli maalattu mustavalkoiseksi pallonpuoliskoilla, ja se näytti graafisesti kuun vaiheen tiettynä ajankohtana. Yhtälö kello , jota käytetään differentiaalisen lisättäväksi tehtiin 1720. 1900-luvulla, suuria kokoonpanoja monien erojen käytettiin analogiakone , lasketaan, esimerkiksi, suunnassa, jossa ase on tähdätty.
Historia
Tasauspyörästön keksinnölle on monia väitteitä, mutta on mahdollista, että se tiedettiin ainakin joissakin paikoissa muinaisina aikoina. Vahvistetut historialliset virstanpylväät ovat:
- 100 eKr - 70 eaa: Antikythera -mekanismi on päivätty tälle ajalle. Se löydettiin vuonna 1902 haaksirikkoon sienisukeltajien toimesta , ja nykyaikaiset tutkimukset viittaavat siihen, että se käytti tasauspyörästöä auringon ja kuun ekliptisten asentojen välisen kulman ja siten kuun vaiheen määrittämiseen.
- c. 250 jKr: kiinalainen insinööri Ma Jun luo ensimmäisen hyvin dokumentoidun eteläsuuntaisen vaunun , kompassin edeltäjän, joka käyttää differentiaalivaihteita suunnan havaitsemiseen magneetin sijasta.
- 1720: Joseph Williamson käyttää differentiaalivaihdetta kellossa.
- 1810: Saksalainen Rudolph Ackermann keksi vaunujen nelipyöräohjausjärjestelmän, jonka jotkut myöhemmät kirjoittajat ilmoittavat virheellisesti differentiaaliksi.
- 1827: nykyaikaisissa autoissa ero patentoinut kelloseppä Onésiphore Pecqueur (1792-1852) ja konservatorion National des Arts et Métiers vuonna Ranskassa tarkoitettuina käytettäväksi höyryn vaunun .
- 1832: Richard Roberts Englannin patentteja "pyydystä korvaus", joka on ero sillä tiellä vetureita .
- 1874: Aveling ja Porter of Rochester, Kent luettelevat luettelossaan nosturiveturin, joka on varustettu patentoidulla tasauspyörästöllä taka -akselilla.
- 1876: James Starley of Coventry keksii ketjun aseman ero käytettäväksi polkupyörien ; keksintö, jota myöhemmin käytti autoissa Karl Benz .
- 1897: ensimmäistä käyttöä ero on Australian höyryllä auton jonka David Shearer .
- 1958: Vernon Gleasman patentteja Torsen- kahden aseman ero, tyyppi rajoitettu tasauspyörästön , joka perustuu yksinomaan toiminnan vaihteiston, sen sijaan yhdistelmä kytkimien ja vaihteistojen.
Episyklinen differentiaali
Episyklinen tasauspyörästö voi käyttää episyklistä vaihteistoa halkaisemaan ja jakamaan vääntömomentin epäsymmetrisesti etu- ja taka -akselin välillä. Epicyklinen tasauspyörästö on Toyota Prius -auton voimansiirron ydin , jossa se yhdistää moottorin, moottorigeneraattorit ja vetopyörät (joissa on toinen differentiaali vääntömomentin jakamiseksi tavalliseen tapaan). Sen etuna on se, että se on suhteellisen kompakti akselinsa pituudella (eli aurinkohammaspyörän akselilla).
Episyklisiä hammaspyöriä kutsutaan myös planetaarivaihteiksi, koska planeettapyörien akselit pyörivät auringon yhteisen akselin ympäri ja rengaspyörät, joiden kanssa ne kulkevat ja jotka pyörivät niiden välillä. Kuvassa keltainen akseli kuljettaa aurinkovaihteen, joka on melkein piilotettu. Sinisiä hammaspyöriä kutsutaan planeettapyöriksi ja vaaleanpunaisia hammaspyöriä eli rengasvaihteita.
Rengasvaihteita käytetään myös käynnistysmoottoreissa .
Hammaspyörä tasauspyörästö
Hammaspyörästön tasauspyörästössä on kaksi samankokoista hammaspyörää, yksi kullekin puoliakselille, ja niiden välissä on väli. Tasauspyörästön keskellä olevan kartiohammaspyörän , joka tunnetaan myös leikkuuvaihteena, kokoonpanon ("hämähäkki") sijasta on pyörivä kannatin samalla akselilla kuin kaksi akselia. Vääntömomentti peräisin voimalaitteen tai lähetyksen , kuten vetoakselin auton, pyörii tämä kantaja.
Tähän telineeseen on asennettu yksi tai useampia samanlaisia hammaspyöriä, yleensä halkaisijaa pidempiä ja tyypillisesti pienempiä kuin yksittäisten puoliakselien hammaspyörät. Kukin hammaspyöräpari pyörii vapaasti kannattimen tukemilla tappeilla. Lisäksi hammaspyöräparit on siirretty aksiaalisesti siten, että ne ovat vain osittain pituudeltaan kahden hammaspyörän välissä ja pyörivät vastakkaisiin suuntiin. Tietyn hammaspyörän jäljellä oleva pituus on silmässä lähempänä hammaspyörää akselillaan. Siksi jokainen hammaspyörä kytkee hammaspyörän toiseen hammaspyörään ja puolestaan toisen hammaspyörän niin, että kun käyttöakseli pyörii kannatinta, sen suhde yksittäisten pyörän akselien hammaspyöriin on sama kuin viisteen -vaihteiden tasauspyörästöt.
Hammaspyöräerot on rakennettu kahdesta identtisestä koaksiaalisesta episyklisestä hammasvaihteesta, jotka on koottu yhdellä kantolaitteella siten, että niiden planeettapyörät kytkeytyvät päälle. Tämä muodostaa planeetan hammaspyörän, jolla on kiinteä kuljetussuhde R = -1 .
Tässä tapauksessa planeettapyörästön peruskaava,
Siten hammaspyöräeron kannattajan kulmanopeus on auringon ja rengasmaisten hammaspyörien kulmanopeuksien keskiarvo.
Keskusteltaessa hammaspyöräerosta, termin rengasmainen vaihde käyttö on kätevä tapa erottaa kahden episyklisen vaihteen aurinkopyörät. Toinen aurinkopyörä palvelee samaa tarkoitusta kuin yksinkertaisen planeettavaihteiston rengasmainen hammaspyörä, mutta sillä ei selvästi ole rengasmaiselle vaihteelle tyypillistä sisäistä vaihteistoa.
Ei-auto-sovellukset
Kiinan eteläsuuntaiset vaunut ovat myös saattaneet olla hyvin varhaisia differentiaalisovelluksia. Vaunuissa oli osoitin, joka osoitti jatkuvasti etelään, riippumatta siitä, kuinka vaunut kääntyivät kulkiessaan. Siksi sitä voidaan käyttää kompassityyppinä . Yleisesti ajatellaan, että differentiaalimekanismi reagoi kaikkiin vaunun kahden pyörän pyörimisnopeuksien eroihin ja käänsi osoittimen asianmukaisesti. Mekanismi ei kuitenkaan ollut riittävän tarkka, ja muutaman kilometrin matkan jälkeen valitsin olisi voinut hyvinkin osoittaa täysin vastakkaiseen suuntaan.
Varhaisin ehdottomasti varmistettu käyttämällä ero oli kello tekemät Joseph Williamson vuonna 1720. Se palkkasi ero lisätä yhtälö aikaa ja paikallisena aikana , määritettynä kellomekanismikäyttöinen, tuottaa aurinko aikaa , mikä olisi ollut sama kuin aurinkokellon lukeminen . 1700 -luvulla aurinkokellojen katsottiin osoittavan "oikeaa" aikaa, joten tavallinen kello jouduttiin usein säätämään uudelleen, vaikka se toimisi täydellisesti, koska aikayhtälö vaihtelee. Williamsonin ja muiden yhtälöiden kellot osoittivat aurinkokelloaikaa ilman säätöä. Nykyään pidämme kelloja "oikeina" ja aurinkokelloja yleensä väärin, joten monet aurinkokellot sisältävät ohjeita lukemiensa käyttämisestä kellonajan saamiseksi.
1900 -luvun ensimmäisellä puoliskolla rakennettiin mekaanisia analogitietokoneita , joita kutsuttiin differentiaalianalysaattoreiksi ja jotka käyttivät differentiaalivaihteisia junia lisäyksen ja vähennyksen suorittamiseen . Yhdysvaltain laivaston Mk.1-aseen palontorjuntatietokoneessa käytettiin noin 160 kartio-vaihteista differentiaalia.
Differentiaalivaihteistoa voidaan käyttää kahden syöttöakselin välisen eron sallimiseksi. Mills käytti usein tällaisia hammaspyöriä vääntömomentin asettamiseen vaaditulla akselilla. Tasauspyörästöjä käytetään tällä tavoin myös kellojen valmistuksessa kahden erillisen säätöjärjestelmän yhdistämiseksi virheiden keskiarvon laskemiseksi. Greubel Forsey käyttää ero yhdistää kahden hengen tourbillon järjestelmiä niiden Neljän Differential Tourbillon.
Soveltaminen ajoneuvoihin
Ajoneuvolla, jossa on kaksi vetopyörää, on ongelma, että kun se kääntyy kulmaan, vetopyörien on pyöritettävä eri nopeuksilla pidon ylläpitämiseksi. Auton tasauspyörästö on suunniteltu ajamaan paria pyörää samalla, kun ne voivat pyöriä eri nopeuksilla. Ajoneuvoissa, joissa ei ole tasauspyörästöä, kuten kartingit , molemmat vetopyörät pakotetaan pyörimään samalla nopeudella, yleensä yhteisellä akselilla, jota käyttää yksinkertainen ketjukäyttömekanismi.
Kaarreajossa sisäpyörä kulkee lyhyemmän matkan kuin ulompi pyörä, joten ilman tasauspyörää sisäpyörä pyörii liian nopeasti tai ulompi pyörä pyörii liian hitaasti, mikä johtaa vaikeaan ja arvaamattomaan käsittelyyn, renkaiden ja teiden vaurioitumiseen ja rasitukseen voimansiirrossa (tai mahdollinen vika) .
Takapyörävetoisissa autoissa keskivetoakseli (tai potkuriakseli) kytkee tasauspyörästön hypoidivaihteiston (rengas ja hammaspyörä) kautta. Rengashammaspyörä on asennettu tasauspyörästön muodostavan planeettaketjun telineeseen. Tämä hypoidivaihteisto on kartiohammaspyörä, joka muuttaa voimansiirron pyörimissuuntaa.
Vetovoiman menetys
Yksi avoimen tasauspyörästön ei -toivottu sivuvaikutus on se, että se voi rajoittaa pitoa epätavallisissa olosuhteissa. Ajoneuvon kuljettamiseen tarvittavan vetovoiman määrä kulloinkin riippuu kuormasta kyseisellä hetkellä - kuinka raskas ajoneuvo on, kuinka paljon vetoa ja kitkaa on, tien kaltevuus, ajoneuvon vauhti ja niin edelleen.
Kunkin vetopyörän vääntömomentti on seurausta siitä, että moottori , voimansiirto ja vetoakseli kohdistavat vääntövoimaa kyseisen pyörän vetovoimaa vasten. Alemmilla vaihteilla ja siten pienemmillä nopeuksilla, ja ellei kuorma ole poikkeuksellisen suuri, voimansiirto voi tuottaa niin paljon vääntömomenttia kuin tarvitaan, joten rajoittava tekijä tulee jokaisen pyörän alla olevaan vetovoimaan. Siksi on kätevää määritellä pito voimaksi, joka voidaan siirtää renkaan ja tien pinnan välillä ennen kuin pyörä alkaa luistaa. Jos jollekin vetopyörälle kohdistettu vääntömomentti ylittää vetokynnyksen, pyörä pyörii ja tuottaa siten vääntöä vain toisella vetopyörällä, joka on yhtä suuri kuin liukupyörän liukukitka. Pienempi nettoveto voi silti riittää kuljettamaan ajoneuvoa hitaasti.
Avoin (lukkiutumaton tai muuten vetoavusteinen) tasauspyörästö tuottaa aina lähes saman vääntömomentin kummallekin puolelle. Havainnollistaaksesi, kuinka tämä voi rajoittaa vetopyörien vääntömomenttia, kuvittele yksinkertainen takapyörävetoinen ajoneuvo, jonka toinen takapyörä on hyvällä otteella asfaltilla ja toinen liukkaalla jäällä. Sivun pyöriminen liukkaalla jäällä vie hyvin vähän vääntömomenttia, ja koska tasauspyörästö jakaa vääntömomentin tasaisesti kummallekin puolelle, asfaltilla olevalle puolelle kohdistettava vääntömomentti on rajoitettu tähän määrään.
Kuorman, kaltevuuden jne. Perusteella ajoneuvo vaatii eteenpäin vetämiseen tietyn määrän vetopyörille kohdistettua vääntömomenttia. Koska avoin tasauspyörästö rajoittaa molempiin vetopyöriin kohdistuvaa vääntömomenttia alemman vetopyörän käyttämään määrään kerrottuna kahdella, kun yksi pyörä on liukkaalla pinnalla, vetopyöriin kohdistuva kokonaismomentti voi olla pienempi kuin vaadittu vähimmäismomentti ajoneuvon käyttövoimaksi.
Ehdotettu vaihtoehtoinen tapa jakaa voima pyörille on käyttää vaihteetonta tasauspyörästön käsitettä , josta Provatidis on raportoinut, mutta eri kokoonpanot näyttävät vastaavan joko "liukuva nastat ja nokat" -tyyppiä, kuten kuten ZF B-70, joka on saatavana varhaisista Volkswageneista , tai ne ovat muunnelmia palloerosta .
Monissa uusissa ajoneuvoissa on luistonesto , joka lieventää osittain avoimen tasauspyörästön huonoja vetovoimia käyttämällä lukkiutumatonta jarrujärjestelmää rajoittaakseen tai pysäyttääkseen alhaisen vetopyörän luiston ja lisäämällä vastakkaiseen pyörään kohdistuvaa vääntömomenttia. Vaikka se ei olekaan yhtä tehokas kuin luistonesto, se on parempi kuin yksinkertainen mekaaninen avoin tasauspyörästö ilman vetoa.
Aktiiviset tasauspyörästöt
Suhteellisen uusi tekniikka on elektronisesti ohjattu aktiivinen tasauspyörästö. Elektronisen ohjausyksikön (ECU) käyttää syötteitä useita antureita, mukaan lukien suuntakulman määrä, ohjauspyörän kulma, ja lateraalinen kiihdytys-ja asettelee jakelu vääntömomentin kompensoimaan ei-toivottuja käsittely- käyttäytymistä, kuten ali- .
Täysin integroituja aktiivisia tasauspyörästöjä käytetään Ferrari F430: ssä , Mitsubishi Lancer Evolutionissa , Lexus RC F: ssä ja GS F: ssä sekä Acura RL: n takapyörissä . ZF: n valmistamaa versiota tarjotaan myös Audi S4: n ja Audi A4 : n B8 -runkoihin . Volkswagen Golf GTI MK7 Suorituskyky leikata myös on elektronisesti ohjattu etuakselin poikittaisen tasauspyörästön lukko, joka tunnetaan myös nimellä VAQ. Vuoden 2016 Ford Focus RS -laitteessa on erilainen differentiaalinen kokoonpano. Tämä antaa olennaisesti jokaiselle pyörälle oman tasauspyörästön. Tämä mahdollistaa vääntömomentin vektoroinnin ja voi lähettää tehoa mille tahansa pyörälle, joka sitä tarvitsee.
Innostunut kiinnostus
Drifting on suosittu moottoriurheilutyyli, joka juontaa juurensa Japanin vuorille. Tämä ajotyyli tunnetaan siitä, että auto liukuu kulman läpi poistumatta tien pinnasta. Jotta auto saataisiin helposti liukukiskoon, kuljettaja voi käyttää rajoitetun luiston tasauspyörästöä tai hitsattua tasauspyörästöä. Rajoitettu luisto -ero saa ajoneuvon pyörät pyörimään samalla nopeudella. Koska auton sisäpyörä kulkee lyhyempää etäisyyttä kuin ulkopyörä, tämä aiheuttaa liukumista. Tämä liukastuminen helpottaa auton liukumista käännöksen ympäri.
Katso myös
- Pallon tasauspyörästö
- Yhtälö kello
- Hermann Aron#Sähkömittarit
- Rajoitettu liukuva tasauspyörästö
- Lukittava tasauspyörästö
- Vääntömomentin vektointi
- Whippletree (mekanismi)
Viitteet
Ulkoiset linkit
- Video avoimen tasauspyörästön 3D -mallista
- Popular Science , toukokuu 1946, How Your Car Turns Corners , suuri artikkeli, jossa on lukuisia esimerkkejä tasauspyörien toiminnasta