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Un diferencial de engranajes rectos construido al acoplar los engranajes planetarios de dos trenes de engranajes epicicloidales coaxiales . La carcasa es el portador de este tren de engranajes planetarios.

Un diferencial es un tren de engranajes con tres ejes que tiene la propiedad de que la velocidad de rotación de un eje es el promedio de las velocidades de los demás, o un múltiplo fijo de ese promedio.

Descripción funcional [ editar ]

Si el engranaje solar izquierdo (rojo) encuentra resistencia, el engranaje planetario (verde) gira además de girar, permitiendo que el engranaje solar izquierdo disminuya la velocidad, con una aceleración igual del engranaje solar derecho (amarillo).

La siguiente descripción de un diferencial se aplica a un automóvil o camión de tracción trasera tradicional con un diferencial de deslizamiento limitado o abierto combinado con un conjunto de engranajes de reducción que utiliza engranajes cónicos (estos no son estrictamente necesarios; consulte el diferencial de engranajes rectos ):

Así, por ejemplo, si el automóvil gira a la derecha, la corona dentada principal puede realizar 10 rotaciones completas. Durante ese tiempo, la rueda izquierda hará más rotaciones porque tiene que viajar más lejos, y la rueda derecha hará menos rotaciones ya que tiene menos distancia que recorrer. Los engranajes solares (que impulsan los semiejes del eje) girarán a diferentes velocidades en relación con la corona dentada (uno más rápido, uno más lento) por, digamos, 2 vueltas completas cada uno (4 vueltas completas entre sí), lo que da como resultado la la rueda izquierda realiza 12 rotaciones y la rueda derecha 8 rotaciones.

La rotación de la corona es siempre el promedio de las rotaciones de los engranajes solares laterales. Esta es la razón por la que si las ruedas de carretera impulsadas se levantan del suelo con el motor apagado y el eje de transmisión se mantiene (por ejemplo, dejando la transmisión en una marcha evitando que la corona gire dentro del diferencial), al girar manualmente una rueda de carretera impulsada se produce la rueda de carretera opuesta para girar en la dirección opuesta en la misma cantidad.

Cuando el vehículo se desplaza en línea recta, no habrá ningún movimiento diferencial del sistema planetario de engranajes que no sean los movimientos mínimos necesarios para compensar las ligeras diferencias en el diámetro de las ruedas, las ondulaciones en la carretera que hacen que el recorrido de las ruedas sea más largo o más corto. etc.

Aplicaciones [ editar ]

Diferencial automotriz: El engranaje impulsor 2 está montado en el portador 5 que soporta los engranajes cónicos planetarios 4 que se acoplan a los engranajes cónicos impulsados ​​3 unidos a los ejes 1.
Diferencial ZF . El eje de transmisión entra por la parte delantera y los ejes de transmisión corren de izquierda a derecha.
Diferencial de coche de un Škoda 422

En automóviles y otros vehículos con ruedas, el diferencial permite que la rueda motriz exterior gire más rápido que la rueda motriz interior durante un giro. Esto es necesario cuando el vehículo gira, lo que hace que la rueda que se desplaza por el exterior de la curva de giro ruede más lejos y más rápido que la otra. El promedio de la velocidad de rotación de las dos ruedas motrices es igual a la velocidad de rotación de entrada del eje de transmisión. Un aumento en la velocidad de una rueda se equilibra con una disminución en la velocidad de la otra.

Cuando se usa de esta manera, un diferencial acopla el eje de la hélice de entrada longitudinal al piñón , que a su vez acciona la corona transversal del diferencial. Esto también suele funcionar como engranaje de reducción.. En los vehículos de tracción trasera, el diferencial puede conectarse a semiejes dentro de una carcasa de eje, o ejes de transmisión que se conectan a las ruedas motrices traseras. Los vehículos de tracción delantera tienden a tener el cigüeñal del motor y los ejes de la caja de cambios transversales, y con el piñón en el extremo del contraeje de la caja de cambios y el diferencial encerrados en la misma carcasa que la caja de cambios. Hay ejes de transmisión individuales para cada rueda. Un diferencial consta de una entrada (el eje de transmisión) y dos salidas, que están conectadas a las dos ruedas motrices; sin embargo, las rotaciones de las ruedas motrices están acopladas entre sí por su conexión con la calzada. En condiciones normales, con un pequeño deslizamiento del neumático, la relación de las velocidades de las dos ruedas motrices se define por la relación de los radios de las trayectorias alrededor de las cuales giran las dos ruedas.que a su vez está determinada por el ancho de vía del vehículo (la distancia entre las ruedas motrices) y el radio de giro.

Los usos no automotrices de los diferenciales incluyen realizar aritmética analógica . Dos de los tres ejes del diferencial están hechos para girar a través de ángulos que representan (son proporcionales a) dos números, y el ángulo de rotación del tercer eje representa la suma o diferencia de los dos números de entrada. El primer uso conocido de un engranaje diferencial se encuentra en el mecanismo de Antikythera , alrededor del 80 a. C., que usaba un engranaje diferencial para controlar una pequeña esfera que representa la luna a partir de la diferencia entre los indicadores de posición del sol y la luna. La bola estaba pintada de blanco y negro en hemisferios y mostraba gráficamente la fase de la luna en un momento determinado. [1] Un reloj de ecuacionesque usaba un diferencial para la suma se hizo en 1720. En el siglo XX, grandes conjuntos de muchos diferenciales se usaron como computadoras analógicas , calculando, por ejemplo, la dirección en la que se debe apuntar un arma. Sin embargo, el desarrollo de las computadoras digitales electrónicas ha hecho obsoletos estos usos de los diferenciales. Es posible que todavía existan usos militares, por ejemplo, para una computadora hipotética diseñada para sobrevivir a un pulso electromagnético . Prácticamente todos los diferenciales que se fabrican ahora se utilizan en automóviles y vehículos similares, incluidos los vehículos todo terreno como los vehículos todo terreno.

Historia [ editar ]

Hay muchas afirmaciones sobre la invención del engranaje diferencial, pero es posible que se conociera, al menos en algunos lugares, en la antigüedad. Los hitos históricos confirmados del diferencial incluyen:

  • 100 aC-70 aC: El mecanismo de Antikythera se ha fechado en este período. Fue descubierto en 1902 en un naufragio por buzos de esponjas , y la investigación moderna sugiere que usó un engranaje diferencial para determinar el ángulo entre las posiciones eclípticas del Sol y la Luna y, por lo tanto, la fase de la Luna. [1] [2]
  • C. 250 dC: el ingeniero chino Ma Jun crea el primer carro que apunta al sur bien documentado , un precursor de la brújula que usa engranajes diferenciales para discernir la dirección en lugar de un imán.
  • 1720: Joseph Williamson usa un engranaje diferencial en un reloj.
  • 1810: Rudolph Ackermann de Alemania inventa un sistema de dirección en las cuatro ruedas para carruajes, que algunos escritores posteriores informan erróneamente como diferencial.
  • 1827: diferencial automotriz moderno patentado por el relojero Onésiphore Pecqueur (1792–1852) del Conservatoire National des Arts et Métiers en Francia para su uso en un vagón de vapor . [3] [4]
  • 1832: Richard Roberts de Inglaterra patenta el "engranaje de compensación", un diferencial para locomotoras de carretera .
  • 1874: Aveling y Porter de Rochester, Kent incluyen una locomotora grúa en su catálogo equipada con su diferencial patentado en el eje trasero. [5]
  • 1876: James Starley de Coventry inventa el diferencial de transmisión por cadena para su uso en bicicletas ; invento utilizado más tarde en automóviles por Karl Benz .
  • 1897: primer uso del diferencial en un automóvil de vapor australiano por David Shearer .
  • 1958: Vernon Gleasman patenta el diferencial de doble tracción Torsen , un tipo de diferencial de deslizamiento limitado que se basa únicamente en la acción de los engranajes, en lugar de una combinación de embragues y engranajes.

Diferencial epicicloidal [ editar ]

El engranaje epicicloidal se utiliza aquí para distribuir el par de forma asimétrica. El eje de entrada es el verde hueco, el amarillo es la salida de bajo par y el rosa es la salida de alto par. La fuerza aplicada en los engranajes amarillo y rosa es la misma, pero dado que el brazo del rosa es de 2 × a 3 × más grande, el par será de 2 × a 3 × más alto.

Un diferencial epicicloidal puede utilizar engranajes epicíclicos para dividir y distribuir el par de forma asimétrica entre los ejes delantero y trasero. Un diferencial epicíclico está en el corazón del tren de transmisión automotriz Toyota Prius , donde interconecta el motor, los motores-generadores y las ruedas motrices (que tienen un segundo diferencial para dividir el par como de costumbre). Tiene la ventaja de ser relativamente compacto a lo largo de su eje (es decir, el eje del engranaje solar).

Los engranajes epicicloidales también se denominan engranajes planetarios porque los ejes de los engranajes planetarios giran alrededor del eje común del sol y los engranajes anulares con los que engranan y ruedan entre ellos. En la imagen, el eje amarillo lleva el engranaje solar que está casi oculto. Los engranajes azules se denominan engranajes planetarios y el engranaje rosa es la corona o anillo.

Los engranajes anulares también se utilizan en motores de arranque .

Diferencial de engranajes rectos [ editar ]

Un diferencial de engranajes rectos tiene dos engranajes rectos del mismo tamaño, uno para cada semieje, con un espacio entre ellos. En lugar del conjunto de engranaje cónico , también conocido como engranaje de inglete (la "araña") en el centro del diferencial, hay un portador giratorio en el mismo eje que los dos ejes. El par de un motor primario o una transmisión , como el eje de transmisión de un automóvil, hace girar este portador.

Montado en este portador hay uno o más pares de piñones idénticos, generalmente más largos que sus diámetros, y típicamente más pequeños que los engranajes rectos de los semiejes individuales. Cada par de piñones gira libremente sobre pasadores soportados por el portador. Además, los pares de piñones están desplazados axialmente, de modo que engranan solo en la parte de su longitud entre los dos engranajes rectos y giran en direcciones opuestas. La longitud restante de un piñón dado engrana con el engranaje recto más cercano en su eje. Por lo tanto, cada piñón acopla ese engranaje recto al otro piñón y, a su vez, al otro engranaje recto, de modo que cuando el eje impulsor gira el portador, su relación con los engranajes para los ejes de las ruedas individuales es la misma que en un eje cónico. -Diferencial de engranajes.

Un diferencial de engranajes rectos se construye a partir de dos trenes de engranajes epicíclicos coaxiales idénticos ensamblados con un solo portador de modo que sus engranajes planetarios estén engranados. Esto forma un tren de engranajes planetarios con una relación de tren portador fija R = -1 .

En este caso, la fórmula fundamental para el tren de engranajes planetarios cede,

o

Por lo tanto, la velocidad angular del portador de un diferencial de engranajes rectos es el promedio de las velocidades angulares del sol y los engranajes anulares. [6]

Al discutir el diferencial de engranajes rectos, el uso del término engranaje anular es una forma conveniente de distinguir los engranajes solares de los dos trenes de engranajes epicíclicos. El segundo engranaje solar tiene el mismo propósito que el engranaje anular de un tren de engranajes planetarios simple, pero claramente no tiene el engranaje interno que es típico de un engranaje anular.

Aplicaciones no automotrices [ editar ]

Diferencial utilizado para controlar el carrete de recogida de un lector de cinta de papel fabricado por Tally alrededor de 1962. Los engranajes cónicos giran libremente sobre sus ejes, a menos que una zapata de freno detenga el engranaje izquierdo. Esto hace que el engranaje planetario impulse el eje de salida a la mitad de la velocidad del engranaje impulsado a la derecha.
Diferencial planetario utilizado para impulsar un registrador de gráficos alrededor de 1961. Los motores impulsan el sol y los engranajes anulares, mientras que la salida se toma del portador de engranajes planetarios. Esto da 3 velocidades diferentes dependiendo de qué motores estén encendidos.

Los carros chinos que apuntan al sur también pueden haber sido aplicaciones muy tempranas de diferenciales. El carro tenía un puntero que apuntaba constantemente hacia el sur, sin importar cómo giraba el carro mientras viajaba. Por tanto, podría utilizarse como una especie de brújula . Se piensa ampliamente que un mecanismo diferencial respondió a cualquier diferencia entre las velocidades de rotación de las dos ruedas del carro y giró el puntero de manera apropiada. Sin embargo, el mecanismo no era lo suficientemente preciso y, después de unos pocos kilómetros de viaje, el dial podría haber estado apuntando en la dirección completamente opuesta.

El primer uso definitivamente verificado de un diferencial fue en un reloj hecho por Joseph Williamson en 1720. Empleó un diferencial para agregar la ecuación del tiempo al tiempo medio local , según lo determinado por el mecanismo del reloj, para producir el tiempo solar , que habría sido lo mismo que la lectura de un reloj de sol . Durante el siglo XVIII, se consideraba que los relojes de sol mostraban la hora "correcta", por lo que un reloj ordinario tenía que reajustarse con frecuencia, incluso si funcionaba perfectamente, debido a las variaciones estacionales en la ecuación del tiempo. Williamson y otros relojes de ecuacionesmostró la hora del reloj de sol sin necesidad de reajuste. Hoy en día, consideramos que los relojes son "correctos" y que los relojes de sol suelen ser incorrectos, por lo que muchos relojes de sol llevan instrucciones sobre cómo usar sus lecturas para obtener la hora del reloj.

En la primera mitad del siglo XX, se construyeron computadoras analógicas mecánicas , llamadas analizadores diferenciales , que usaban trenes de engranajes diferenciales para realizar sumas y restas . La computadora de control de fuego de armas Mk.1 de la Marina de los EE. UU. Utilizó alrededor de 160 diferenciales del tipo de engranaje cónico.

Se puede utilizar un tren de engranajes diferencial para permitir una diferencia entre dos ejes de entrada. Los molinos a menudo usaban tales engranajes para aplicar torque en el eje requerido. Los diferenciales también se utilizan de esta manera en la relojería para vincular dos sistemas de regulación separados con el objetivo de promediar los errores. Greubel Forsey usa un diferencial para conectar dos sistemas de tourbillon doble en su Tourbillon de diferencial cuádruple.

Aplicación a vehículos [ editar ]

Reproducir medios
"A la vuelta de la esquina" (1937), una película de Jam Handy realizada para Chevrolet que explica cómo funciona un diferencial abierto

Un vehículo con dos ruedas motrices tiene el problema de que cuando dobla una esquina, las ruedas motrices deben girar a diferentes velocidades para mantener la tracción. El diferencial automotriz está diseñado para impulsar un par de ruedas mientras les permite girar a diferentes velocidades. En vehículos sin diferencial, como los karts , ambas ruedas motrices se ven obligadas a girar a la misma velocidad, generalmente en un eje común impulsado por un mecanismo simple de transmisión por cadena.

Al tomar una curva, la rueda interior recorre una distancia más corta que la rueda exterior, por lo que sin un diferencial, la rueda interior gira demasiado rápido o la rueda exterior gira demasiado lentamente, lo que resulta en un manejo difícil e impredecible, daños a los neumáticos y carreteras, y tensión. en (o posible falla) del tren motriz .

En los automóviles con tracción trasera, el eje de transmisión central (o eje de hélice) conecta el diferencial a través de un engranaje hipoide (anillo y piñón). La corona está montada en el portador de la cadena planetaria que forma el diferencial. Este engranaje hipoide es un engranaje cónico que cambia la dirección de rotación de la transmisión.

Par de engranajes hipoide que conecta un eje de transmisión automotriz a un diferencial

Pérdida de tracción [ editar ]

Un efecto secundario indeseable de un diferencial abierto es que puede limitar la tracción en condiciones menos que ideales. La cantidad de tracción requerida para propulsar el vehículo en un momento dado depende de la carga en ese instante: qué tan pesado es el vehículo, cuánta resistencia y fricción hay, la pendiente de la carretera, el impulso del vehículo, etc.

El par aplicado a cada rueda motriz es el resultado de que el motor , la transmisión y el eje motriz apliquen una fuerza de torsión contra la resistencia de la tracción en esa rueda. En marchas más bajas, y por lo tanto a velocidades más bajas, y a menos que la carga sea excepcionalmente alta, el tren motriz puede suministrar tanto par como sea necesario, por lo que el factor limitante se convierte en la tracción debajo de cada rueda. Por lo tanto, es conveniente definir la tracción como la cantidad de fuerza que se puede transmitir entre el neumáticoy la superficie de la carretera antes de que la rueda comience a patinar. Si el par aplicado a una de las ruedas motrices excede el umbral de tracción, entonces esa rueda patinará y, por lo tanto, proporcionará un par solo en la otra rueda motriz igual a la fricción de deslizamiento en la rueda que patina. La tracción neta reducida aún puede ser suficiente para propulsar el vehículo lentamente.

Un diferencial abierto (sin bloqueo o asistido por tracción) siempre suministra un par de torsión casi igual a cada lado. Para ilustrar cómo esto puede limitar la torsión aplicada a las ruedas motrices, imagine un vehículo simple de tracción trasera , con una rueda trasera sobre asfalto con buen agarre y la otra sobre un parche de hielo resbaladizo. Se necesita muy poco torque para girar el lado sobre hielo resbaladizo, y debido a que un diferencial divide el torque por igual en cada lado, el torque que se aplica al lado que está sobre asfalto se limita a esta cantidad. [7] [8]

Según la carga, la pendiente, etc., el vehículo requiere una cierta cantidad de torsión aplicada a las ruedas motrices para avanzar. Dado que un diferencial abierto limita la torsión total aplicada a ambas ruedas motrices a la cantidad utilizada por la rueda de tracción inferior multiplicada por dos, cuando una rueda está sobre una superficie resbaladiza, la torsión total aplicada a las ruedas motrices puede ser menor que la torsión mínima requerida para propulsión de vehículos. [9]

Una forma alternativa propuesta para distribuir la potencia a las ruedas es utilizar el concepto de un diferencial sin engranajes , sobre el cual Provatidis ha informado de una revisión, [10] pero las diversas configuraciones parecen corresponder a los "pasadores deslizantes y levas". tipo, como el ZF B-70 disponible en los primeros Volkswagen , o son una variación del diferencial de bola .

Muchos vehículos más nuevos cuentan con control de tracción , que mitiga parcialmente las características de mala tracción de un diferencial abierto al usar el sistema de frenos antibloqueo para limitar o detener el deslizamiento de la rueda de baja tracción, aumentando el torque que se puede aplicar a la rueda opuesta. Si bien no es tan efectivo como un diferencial asistido por tracción, es mejor que un simple diferencial mecánico abierto sin asistencia a la tracción.

ARB, diferencial de bloqueo de aire
Un dibujo en corte del eje trasero de un automóvil , que muestra la corona y el piñón de la transmisión final y los engranajes diferenciales más pequeños.
Una vista en corte de una unidad de transmisión final automotriz que contiene el diferencial

Diferenciales activos [ editar ]

Una tecnología relativamente nueva es el "diferencial activo" controlado electrónicamente. Una unidad de control electrónico (ECU) utiliza entradas de varios sensores, incluida la velocidad de guiñada , el ángulo de entrada de la dirección y la aceleración lateral, y ajusta la distribución del par para compensar los comportamientos de manejo no deseados, como el subviraje .

Los diferenciales activos totalmente integrados se utilizan en el Ferrari F430 , Mitsubishi Lancer Evolution , Lexus RC F y GS F , y en las ruedas traseras del Acura RL . También se ofrece una versión fabricada por ZF en los chasis B8 Audi S4 y Audi A4 . [11] El Volkswagen Golf GTI Mk7 en el acabado Performance también tiene un bloqueo del diferencial transversal del eje delantero controlado electrónicamente, también conocido como VAQ. [12] El Ford Focus 2016RS tiene un tipo diferente de configuración diferencial. Esto esencialmente le da a cada rueda su propio diferencial. Esto permite la vectorización de par y puede enviar potencia a cualquier rueda que la necesite. [13]

Interés entusiasta [ editar ]

Drifting (automovilismo) es un estilo de automovilismo popular que tiene sus orígenes en las montañas de Japón. Este estilo de conducción es conocido por deslizar un automóvil en una esquina sin salir de la superficie de la carretera. Para hacer que el automóvil se deslice fácilmente, el conductor puede usar un diferencial de deslizamiento limitado o un diferencial soldado. Un diferencial de deslizamiento limitado hace que las ruedas del vehículo giren a la misma velocidad. Dado que la rueda interior del automóvil recorre una distancia más corta que la rueda exterior, esto provoca un deslizamiento. Este deslizamiento es lo que facilita el deslizamiento del automóvil en una curva. [14]

Ver también [ editar ]

  • Diferencial de bolas
  • Reloj de ecuación
  • Hermann Aron # Contadores de electricidad
  • Diferencial de deslizamiento limitado
  • Diferencial de bloqueo
  • Vectorización de par
  • Whippletree (mecanismo)

Referencias [ editar ]

  1. ↑ a b Wright, MT (2007). "El mecanismo de Antikythera reconsiderado" (PDF) . Revisiones científicas interdisciplinarias . 32 (1) . Consultado el 20 de mayo de 2014 .
  2. ^ Presentación dada a la NHRF en Atenas, 6 de marzo de 2007 - MT Wright
  3. ^ Britannica en línea
  4. ^ "Historia del automóvil" . General Motors Canadá . Consultado el 9 de enero de 2011 .
  5. ^ Preston, JM (1987), Aveling y Porter, Ltd. Rochester. , North Kent Books, págs. 13-14, ISBN 0-948305-03-7 incluye dibujo seccional.
  6. ^ Uicker, JJ; Pennock, GR; Shigle, JE (2003). Teoría de Máquinas y Mecanismos . Nueva York: Oxford University Press.
  7. ^ Bonnick, Allan (2001). Sistemas automotrices controlados por computadora . pag. 22.
  8. ^ Bonnick, Allan (2008). Ciencias y Matemáticas Automotrices . pag. 123.
  9. ^ Chocholek, SE (1988). "El desarrollo de un diferencial para la mejora del control de tracción" .
  10. ^ Provatidis, Christopher G. (2003). "Una presentación crítica del diferencial sin engranajes de Tsiriggakis". Mecánica de Movilidad y Vehículos . 29 (4): 25–46.
  11. ^ "Comunicado de prensa de ZF" . ZF.com . Consultado el 9 de enero de 2011 .
  12. ^ "Golf VII GTI" . PistonHeads.com . Consultado el 24 de junio de 2013 .
  13. ^ "El Ford Focus RS 2016 obtiene un sistema AWD de vectorización de par avanzado" . Revista de automóviles . 4 de noviembre de 2015 . Consultado el 21 de septiembre de 2020 .
  14. ^ Skwarczek, Matthew (29 de marzo de 2020). "¿Qué hace que un diferencial de deslizamiento limitado sea deseable?" . MotorBiscuit . Consultado el 21 de septiembre de 2020 .

Enlaces externos [ editar ]

  • Un video de un modelo 3D de un diferencial abierto
  • Popular Science , mayo de 1946, How Your Car Turns Corners , un artículo extenso con numerosas ilustraciones sobre cómo funcionan los diferenciales.