直線走行時の差動動作：入力トルクはリングギア（紫色）に作用し、キャリア（紫色）を等速度で回転させます。両輪からの抵抗が同じ場合、遊星ギア（緑色）は自転しません（ただし、ギアとピンはキャリアに接続されているため、公転しています）。これにより、サンギア（赤色と黄色）が等速度で回転し、結果として車輪も等速度で回転します。- 左旋回時の差動動作：入力トルクはリングギア（紫色）に作用し、キャリア（紫色）を同じ速度で回転させます。左サンギア（赤色）は右サンギア（黄色）よりも大きな抵抗を生じ、遊星ギア（緑色）は反時計回りに回転します。これにより、左サンギアの回転速度が遅くなり、右サンギアの回転速度が速くなります。その結果、車両の右車輪は左車輪よりも速く回転し（したがって、より遠くまで進みます）。
差動装置（機械装置）
 |
デファレンシャルは、3本の駆動軸を持つ歯車列で、1本の軸の回転速度が他の軸の速度の平均となる特性を持っています。デファレンシャルは、自動車においてコーナリング時に駆動軸の両端の車輪が異なる速度で回転できるようにするのが一般的です。その他、時計やアナログコンピュータにも使用されています。デファレンシャルは、入力軸と出力軸間のギア比（「アクスル比」または「デフ比」と呼ばれる）を提供することもできます。例えば、自動車の多くのデファレンシャルは、ピニオンの歯数をリングギアの歯数よりも少なくすることで、ギア比を低下させています。
歴史
ディファレンシャルの設計または使用における重要な出来事は次のとおりです。
- 紀元前100年～紀元前70年：アンティキティラ島の機械はこの時期に遡ると考えられています。1902年に海綿採集者によって難破船上で発見されました。現代の研究では、差動歯車を用いて太陽と月の黄道位置の角度、ひいては月の満ち欠けを計測していたことが示唆されています。[ 1 ]
- 西暦 250年頃：中国の技術者、馬鈞が、羅針盤の前身となる、記録に残る最初の南を指す戦車を製作した。その動作原理は不明であるが、20世紀の技術者の中には、差動歯車装置を用いていたという説を唱えた者もいた。[ 2 ]
- 1810 年:ドイツのルドルフ・アッカーマンが馬車用の四輪操舵システムを発明。後の著述家の中にはこれを誤って差動装置と報告する者もいる。
- 1823年：アザ・アーノルドが綿糸紡績用の差動駆動装置を開発。この設計は瞬く間にアメリカ全土、そしてイギリスにも広まった。[ 3 ]
- 1827年：フランスの国立工芸学校の時計職人オネシフォール・ペクール（1792-1852）が蒸気貨車に使用するための近代的な自動車用差動装置の特許を取得。[ 4 ]
- 1874年：ケント州ロチェスターのエイヴリング・アンド・ポーター社が、特許取得済みの差動装置を後車軸に装備したクレーン機関車をカタログに掲載した。[ 5 ]
- 1876年:コベントリーのジェームズ・スターリーが自転車用のチェーン駆動差動装置を発明。この発明は後にカール・ベンツによって自動車にも採用された。
- 1897年: オーストラリアの蒸気自動車を製造中に、デビッド・シアラーは自動車に初めて差動装置を使用しました。[ 6 ]
- 1958年：ヴァーノン・グリースマンがトルセンリミテッドスリップデファレンシャルの特許を取得。[ 7 ]
車輪付き車両での使用
目的
コーナリング中、車両の外輪は内輪よりも大きな回転半径を持つため、より長い距離を移動する必要があります。これは、車輪が連結されていない場合は容易に対応できますが、駆動輪の場合は、両方の車輪がエンジン（通常はトランスミッションを介して）に接続されているため、より困難になります。一部の車両（例えばゴーカートや路面電車）は、差動装置なしで車軸を使用し、コーナリング時に車輪のスリップに頼っています。しかし、コーナリング性能を向上させるために、多くの車両は差動装置を使用しており、これにより2つの車輪が異なる速度で回転します。
デファレンシャルの目的は、エンジンの動力を車輪に伝達しつつ、必要に応じて車輪を異なる速度で回転させることです。リング・ピニオン式デファレンシャルの動作原理を図解すると、以下のようになります。
リングとピニオンの設計
.jpg){kind=link}
.jpg/1280px-Differential_(Manual_of_Driving_and_Maintenance).jpg)
後輪駆動車では、比較的シンプルな設計のディファレンシャルが採用されています。リングギアは、トランスミッションに接続されたピニオンギアによって駆動されます。この設計の機能は、回転軸を90度（プロペラシャフトからハーフシャフトへ）変換し、ギア比を低減することです。
右の概略図に示されているリングピニオン差動装置の構成要素は、1.出力軸（車軸）2.駆動ギア3.出力ギア4.遊星ギア5.キャリア6.入力ギア7.入力軸（ドライブシャフト） です。
遊星円盤デザイン
エピサイクリック・デファレンシャルは、全輪駆動車の前車軸と後車軸に一定の割合のトルクを送るために、エピサイクリック・ギアを使用します。エピサイクリック設計の利点は、入力軸の軸線に沿って見た場合に比較的コンパクトな幅であることです。
平歯車設計
.jpg){kind=link}
.jpg/1280px-Spur_gear_differential_(Manual_of_Driving_and_Maintenance).jpg)
スパーギア差動装置は、両端に同じ大きさのスパーギアを備え、各スパーギアは出力軸に接続されている。[ 8 ]入力トルク（エンジンまたはトランスミッションから）は、回転するキャリアを介して差動装置に加えられる。[ 8 ]ピニオンペアはキャリア内に配置され、キャリアによって支持されたピン上で自由に回転する。ピニオンペアは、2つのスパーギアの間の長さの部分でのみ噛み合い、反対方向に回転する。ピニオンの残りの長さは、その車軸上のより近いスパーギアと噛み合う。各ピニオンは、関連するスパーギアを（他のピニオンを介して）他のスパーギアに接続します。キャリアが（入力トルクによって）回転すると、入力（キャリア）の速度と出力軸の速度の関係は、他のタイプのオープン差動装置と同じになる。
スパーギアデファレンシャルの採用例としては、アメリカの前輪駆動車オールズモビル・トロネードが挙げられる。 [ 8 ]
ロック式デファレンシャル
ロック式デファレンシャルは、両輪を同じ車軸上で「ロック」することで、標準的なオープンデファレンシャルの最大の制約を克服します。これは、両輪を共通の軸上にあるかのように「ロック」することを意味します。これにより、どちらかの車輪のトラクションの有無に関わらず、両輪が同時に回転するようになります。この機能が不要な場合は、デファレンシャルを「ロック解除」して、通常のオープンデファレンシャルとして使用できます。
ロック式ディファレンシャルは主にオフロード車で使用され、グリップが低い路面やグリップが変化する路面を克服します。
リミテッドスリップデファレンシャル
通常の（「オープン」）デファレンシャルの望ましくない副作用は、トラクション（グリップ）の弱い車輪にほとんどの動力が送られることである。[ 9 ] [ 10 ]片方の車輪のグリップが低下した状況（例えば、コーナリングフォースや片方の車輪の下の路面のグリップが低いため）では、オープンデファレンシャルはグリップの弱いタイヤでホイールスピンを引き起こす可能性があり、グリップの強いタイヤは車両を前進させるのに必要な動力をほとんど受け取れない。[ 11 ]
この状況を回避するために、各車輪に送られる動力の差を制限するために、 さまざまな設計のリミテッド・スリップ・ディファレンシャルが使用されます。
トルクベクタリング
トルクベクタリングは、電子システムによって各ハーフシャフトへのトルクを変化させる機能を持つ自動車用デファレンシャルに採用されている技術です。また、鉄道車両では、個別に駆動する車輪を用いて同様の機能を実現しています。自動車の場合、車両の安定性やコーナリング性能を向上させるために使用されます。
その他の用途
|
自動車以外での差動装置の用途としては、アナログ演算の実行が挙げられる。差動装置の3本のシャフトのうち2本は、2つの数値を表す（2つの数値に比例する）角度で回転するように作られており、3本目のシャフトの回転角度は、2つの入力数値の合計または差を表す。差動装置の最も古い使用例は、紀元前80年頃のアンティキティラ島の機械で、太陽と月の位置指示器の差から、月を表す小さな球を制御するために差動装置が使用されていた。球は半球状に白黒で塗装され、特定の時点の月の満ち欠けをグラフィカルに表示していた。[ 1 ]差動装置を加算に使用した方程式時計は1720年に作られた。20世紀には、多数の差動装置を大規模に組み立てたものがアナログコンピュータとして使用され、例えば銃を狙う方向を計算した。[ 12 ]
コンパスのようなデバイス
中国の南を指す戦車もまた、差動装置のごく初期の応用例であった可能性があります。戦車には指針が付いており、戦車が走行中にどのように方向転換しても常に南を指し示していました。そのため、一種のコンパスとして使用できました。差動機構は、戦車の2つの車輪の回転速度の差に反応し、指針を適切に回転させていたと広く考えられています。しかし、この機構は精度が十分ではなく、数マイル走行すると指針が間違った方向を指していることもありました。
時計
差動装置の使用が最も古いと確認されているのは、1720年にジョセフ・ウィリアムソンが製作した時計です。この時計は差動装置を用いて、時計機構によって決定された地方平均時間に均時差を加算し、太陽時を算出しました。これは日時計の読みと同じでした。18世紀には、日時計は「正しい」時刻を示すと考えられていたため、普通の時計は、均時差の季節変動のため、たとえ完璧に動作していても頻繁に再調整する必要がありました。ウィリアムソンや他の均時差時計は、再調整を必要とせずに日時計の時刻を示しました。今日では、時計は「正しい」ものであり、日時計は通常不正確であると考えられているため、多くの日時計には、その読みを使用して時計の時刻を取得する方法に関する説明書が添付されています。
アナログコンピュータ
機械式アナログコンピュータの一種である微分解析装置は、およそ 1900 年から 1950 年まで使用されていました。これらの装置は差動歯車列を使用して加算と減算を実行しました。
車両サスペンション
火星探査車スピリットとオポチュニティ（どちらも2004年打ち上げ）は、ロッカーボギーサスペンションに差動ギアを使用して、左右の車輪が不均一な地形で上下に動くときに車体のバランスを保っていました。[ 13 ]キュリオシティとパーサヴィアランス探査車は、同じ機能を果たすためにギアの代わりに差動バーを使用しました。[ 14 ]
参照
参考文献
- ^ a b Wright, MT (2007). 「アンティキティラ島の機械の再考」(PDF) . Interdisciplinary Science Reviews . 32 (1): 27– 43. Bibcode : 2007ISRv...32...27W . doi : 10.1179/030801807X163670 . S2CID 54663891. 2023年6月8日閲覧.
- ^ニーダム、ジョセフ（1986年）『中国の科学と文明』第4部第2章、台北：Caves Books、296-306ページ。
{{cite journal}}:欠落または空|title=(ヘルプ) - ^ミットマン、カール・W. (1947). 「アーノルド、アザ」. ジョンソン、アレン（編）. 『アメリカ人伝記辞典』第1巻. ニューヨーク：チャールズ・スクリブナー・サンズ社、アメリカ学会協議会. pp. 361– 362.
- ^ 「自動車の歴史」ゼネラルモーターズ・カナダ。2008年7月24日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2011年1月9日閲覧。
- ^プレストン、JM (1987). Aveling & Porter, Ltd. ロチェスター. North Kent Books. pp. 13– 14. ISBN 0-948305-03-7。
- ^ 「1897年、マンナムのデイビッド・シアラーの蒸気自動車 – オーストラリア初 – 世界初の差動装置搭載」 AdelaideAZ.com . 2023年2月27日閲覧。
- ^ 「自動車技術の発明者 ― ヴァーノン・グリースマンの遺産」 TheAutoChannel.com 2023年8月27日閲覧。
- ^ a b c「スパーギアデファレンシャルとは？」 SergeantClutchDiscountTransmission.com . 2023年3月27日閲覧。
- ^ボニック、アラン (2001).自動車用コンピュータ制御システム. エルゼビア・サイエンス＆テクノロジー・ブックス. p. 22. ISBN 9780750650892。
- ^ボニック、アラン (2008).自動車科学と数学. バターワース・ハイネマン. p. 123. ISBN 9780750685221。
- ^ Chocholek, SE (1988). 「トラクションコントロールの改善のためのディファレンシャルの開発」
- ^射撃管制コンピュータの基本機構、第1部、シャフト、ギア、カム、差動装置、「米海軍のビンテージ射撃管制コンピュータ」として投稿（訓練フィルム）。アメリカ海軍。1953年。イベントは37秒目に発生。MN-6783a。2021年11月18日時点のオリジナルよりアーカイブ。2021年9月20日閲覧。
- ^ 「Rover Wheels」 . Mars.NASA.gov . 2023年1月18日閲覧。
- ^ 「Curiosity Mobility System, Labeled」 . Planetary.org . 2023年1月18日閲覧。
さらに読む
- ポピュラーサイエンス、1946年5月号、車はどうやって角を曲がるのか、差動装置の仕組みを多数のイラストで説明した大きな記事
外部リンク
ウィキメディア コモンズには、自動車の差動装置に関連するメディアがあります。