디퍼렌셜(기계 장치)

Differential (mechanical device)
최종 구동의 크라운 과 피니언, 그리고 더 작은 디퍼렌셜 기어를 보여주는 자동차 리어 액슬의 절단 도면

디퍼렌셜은 한 축의 회전 속도가 다른 축의 평균 속도 또는 해당 평균의 고정 배수가 되는 특성을 가진 3개의 구동 축이 있는 기어 트레인입니다.

기능 설명

링 기어(파란색)에 입력 토크가 적용되어 전체 캐리어(파란색)가 회전합니다.캐리어는 유성 기어(녹색)를 통해서만 선 기어(빨간색 및 노란색)에 연결됩니다.토크는 유성 기어를 통해 선 기어로 전달됩니다.유성 기어는 캐리어 축을 중심으로 회전하며 선 기어를 구동합니다.양쪽 휠의 저항이 같으면 유성 기어가 자신의 축을 중심으로 회전하지 않고 회전하며 양쪽 휠이 동일한 속도로 회전합니다.
좌측 선 기어(빨간색)가 저항에 부딪히면 유성 기어(녹색)가 회전하면서 좌측 선 기어가 감속하고 우측 선 기어(노란색)의 속도가 동일하게 빨라집니다.

다음 디퍼렌셜 설명은 오픈 또는 제한 슬립 디퍼렌셜이 베벨 기어를 사용하는 감속 기어 세트와 결합된 전통적인 후륜 구동 차량 또는 트럭에 적용됩니다(이러한 디퍼렌셜은 엄격히 필요하지 않습니다. 스퍼 기어 디퍼렌셜 참조).

따라서 예를 들어 차량이 오른쪽으로 회전하는 경우 메인 링 기어가 10회 완전히 회전할 수 있습니다.그 동안 왼쪽 바퀴는 이동 거리가 멀기 때문에 더 많은 회전을 하고 오른쪽 바퀴는 이동 거리가 적기 때문에 더 적은 회전을 합니다.선 기어( 액슬 하프축을 구동하는)는 링 기어에 대해 각각 2회전씩(예를 들어 서로 4회전씩) 다른 속도로 회전하므로 좌측 휠이 12회전하고 우측 휠이 8회전합니다.

링 기어의 회전은 항상 사이드 선 기어 회전의 평균입니다.이 때문에 엔진이 꺼진 상태에서 구동축을 지면에서 들어 올리고(예를 들어 링 기어가 디퍼렌셜 내부에서 회전하지 못하도록 변속기를 기어에 넣은 상태로 유지) 한쪽 구동 휠을 수동으로 회전시키면 반대쪽 휠이 동일한 양만큼 반대 방향으로 회전합니다.

차량이 직진할 때는 휠 직경의 미세한 차이, 휠 경로가 길어지거나 짧아지는 도로의 기복이 보정되는 것 외에 기어의 유성 시스템 간 차이가 없습니다.

적용들

ZF 디퍼렌셜구동축은 전면에서 들어가고 구동축은 좌우로 달립니다.

자동차 및 기타 휠 차량에서는 이 디퍼렌셜을 통해 회전 중에 외측 구동 휠이 내측 구동 휠보다 더 빠르게 회전할 수 있습니다.이는 차량이 회전할 때 필요하며, 회전 곡선 바깥쪽을 도는 휠이 다른 휠보다 더 멀고 빠르게 굴러가게 됩니다.두 구동 휠의 회전 속도의 평균은 구동축의 입력 회전 속도와 같습니다.한쪽 바퀴의 속도 증가는 다른 쪽 바퀴의 속도 감소와 균형을 이룬다.

이렇게 사용할 경우 디퍼렌셜은 종방향 입력 프로펠러 샤프트를 피니언에 결합하고, 피니언은 디퍼렌셜의 횡방향 링 기어를 구동합니다.이는 보통 감속 기어로도 작동합니다.후륜 구동 차량에서 디퍼렌셜은 액슬 하우징 내부의 하프축 또는 리어 구동 휠에 연결되는 구동축에 연결될 수 있습니다.전륜 구동 차량의 경우 엔진 크랭크축과 기어박스 샤프트가 교차하는 경향이 있으며, 기어박스의 카운터축 끝에 피니언이 있고 디퍼렌셜이 기어박스와 동일한 하우징에 밀폐되어 있습니다.각 휠에는 개별 구동축이 있습니다.디퍼렌셜은 하나의 입력(구동축)과 두 개의 출력으로 구성되며, 이 입력(구동축)은 두 개의 구동 휠에 연결됩니다. 그러나 구동 휠의 회전은 도로와의 연결에 의해 서로 결합됩니다.정상 조건에서는 타이어 슬립이 작은 상태에서 두 구동 휠의 속도 비율은 두 바퀴가 롤링하는 경로의 반지름 비율에 의해 정의되며, 이 비율은 차량의 트랙 폭(구동 휠 사이의 거리)과 회전 반경에 의해 결정됩니다.

차분의 비자동차적 용도에는 아날로그 산술 수행이 포함됩니다.디퍼렌셜의 세 축 중 두 축은 두 숫자를 나타내는(비례하는) 각도를 통해 회전하며, 세 번째 축의 회전 각도는 두 입력 숫자의 합 또는 차이를 나타냅니다.최초로 알려진 차동 기어의 사용은 기원전 80년경 안티키테라 메커니즘에서, 차동 기어를 사용하여 태양과 달의 위치 포인터 사이의 차이로부터 달을 나타내는 작은 구를 제어합니다.이 공은 반구로 흑백으로 칠해져 특정 [1]시점의 달의 위상을 그래픽으로 표현했다.차분을 덧셈에 사용한 방정식 시계는 1720년에 만들어졌습니다.20세기에는 아날로그 컴퓨터로 많은 차동들로 이루어진 큰 조립품이 사용되었는데, 예를 들어 총이 [2]겨누어야 할 방향을 계산한다.

역사

차동 기어의 발명에 대한 많은 주장들이 있지만, 적어도 고대에는 그것이 알려졌을 가능성이 있다.차이의 확인된 역사적 이정표는 다음과 같습니다.

  • 100 BCE-70 BCE: 안티키테라 메커니즘은 이 시기로 거슬러 올라간다.그것은 1902년 스펀지 다이버들에 의해 난파선에서 발견되었고, 현대 연구에 따르면 그것은 태양과 달의 황도 위치, 즉 달의 [1][3]위상을 측정하기 위해 차동 장치를 사용했다고 한다.
  • c.250 CE: 중국 엔지니어 Ma Jun은 자석이 아닌 차동 기어를 사용하여 방향을 식별하는 나침반의 선구자인 문서화된 최초의 남쪽 방향 전차를 개발했습니다.
  • 1720: 조셉 윌리엄슨은 시계의 차동 기어를 사용한다.
  • 1810년: 독일의 루돌프 아커만(Rudolph Ackermann)은 객차를 위한 4륜 스티어링 시스템을 발명했는데, 후대의 작가들은 이를 차동이라고 잘못 보고합니다.
  • 1827년: 프랑스 국립미술관(Conservatoire National des Arts et Métiers)의 시계 제조사 오네시포레 페크쿠르(1792–1852)가 증기차에 [4][5]사용하기 위해 특허를 취득한 현대식 자동차 디퍼렌셜.
  • 1832년: 영국의 리처드 로버츠는 도로 기관차의 차동인 "보상 기어"를 특허했다.
  • 1874: 켄트 주 로체스터의 Aveling과 Porter는 리어 [6]액슬에 특허 차동 기어가 장착된 크레인 기관차를 카탈로그에 나열합니다.
  • 1876년: CoventryJames Starley는 자전거에 사용되는 체인 드라이브 디퍼렌셜을 발명했습니다.나중에 Karl Benz에 의해 자동차에 사용되었습니다.
  • 1897년: David Shearer가 호주 증기차에 디퍼렌셜을 처음 사용
  • 1958년: Vernon Gleasman은 클러치와 기어의 조합 대신 기어 작동에만 의존하는 제한된 슬립 디퍼렌셜의 일종인 Torsen 듀얼 드라이브 디퍼렌셜을 특허 취득했습니다.

에피사이클릭 미분

여기서 에피사이클릭 기어링은 토크를 비대칭적으로 배분하기 위해 사용됩니다.입력축은 녹색 중공, 노란색은 낮은 토크 출력, 분홍색은 높은 토크 출력입니다.노란색과 분홍색 기어의 힘은 동일하지만, 분홍색 기어의 팔뚝은 2~3배 크기 때문에 토크는 2~3배 높아집니다.

에피사이클릭 디퍼렌셜은 에피사이클릭 기어를 사용하여 프론트 액슬과 리어 액슬 사이에서 토크를 비대칭적으로 분할 및 배분할 수 있습니다.에피사이클릭 디퍼렌셜은 Toyota Prius 자동차 드라이브 트레인의 핵심으로 엔진, 모터 제너레이터 및 구동 휠(평소와 같이 토크를 분할하기 위한 보조 디퍼렌셜이 있음)을 상호 연결합니다.축의 길이(즉, 선 기어 샤프트)를 따라 비교적 컴팩트하다는 장점이 있습니다.

유성 기어의 축이 태양과 링 기어의 공통 축을 중심으로 회전하기 때문에 유성 기어라고도 불립니다.그림에서 노란색 샤프트는 거의 숨겨져 있는 선기어를 운반합니다.파란색 기어는 유성 기어라고 불리고 분홍색 기어는 링 기어 또는 고리 모양 기어입니다.

링 기어는 스타터 모터에도 사용됩니다.

스퍼 기어 디퍼렌셜

두 개의 동축 에피사이클릭 기어 트레인의 유성 기어를 결합함으로써 구성된 스퍼 기어 디퍼렌셜입니다.케이스는 이 유성 기어 트레인의 캐리어입니다.

스퍼 기어 디퍼렌셜에는 크기가 동일한 스퍼 기어가 두 개 있는데, 각 하프축에 하나씩 있으며 그 사이에 공간이 있습니다.디퍼렌셜의 중앙에 베벨 기어, 즉 미터 기어 어셈블리("스파이더") 대신 두 축과 동일한 축에 회전 캐리어가 있습니다.원동기 또는 변속기의 토크(예: 자동차의 구동축)가 캐리어를 회전시킵니다.

이 캐리어에는 일반적으로 직경보다 길고 일반적으로 개별 하프축의 스퍼 기어보다 작은 하나 이상의 동일한 기어 쌍이 장착됩니다.각 피니언 쌍은 캐리어가 지지하는 핀에서 자유롭게 회전합니다.또한 피니언쌍은 2개의 스퍼기어 사이에 길이 일부만 맞물려 반대 방향으로 회전하도록 축방향으로 변위한다.주어진 피니언의 나머지 길이는 해당 액슬의 더 가까운 스퍼 기어와 맞물립니다.따라서 각 피니언은 다른 피니언에 기어를 스퍼링하고 다른 스퍼 기어를 결합하므로 구동축이 캐리어를 회전시킬 때 개별 휠 액슬의 기어와의 관계가 베벨 기어 디퍼렌셜의 기어와 동일합니다.

스퍼 기어 디퍼렌셜은 유성 기어가 맞물리도록 단일 캐리어로 조립된 2개의 동일한 동축 에피사이클릭 기어열로부터 구성된다.이는 고정 캐리어 트레인 비 R = -1인 유성 기어 트레인입니다.

이 경우 유성 기어 트레인의 기본 공식은

또는

따라서, 스퍼 기어 디퍼렌셜의 캐리어 각 속도는 태양 및 환상 [7][page needed]기어의 각 속도의 평균입니다.

자동차 애플리케이션

차량용 디퍼렌셜:구동 기어 2는 유성 베벨 기어 4를 지지하는 캐리어 5에 장착되어 있으며, 캐리어 5는 액슬 1에 부착된 피동 베벨 기어 3과 결합됩니다.
오픈 디퍼렌셜의 구조를 설명하는 쉐보레용 핸디 영화 "어라운드 더 코너"(1937년)

구동 휠이 두 개인 차량은 코너를 돌 때 [8]트랙션을 유지하기 위해 구동 휠이 서로 다른 속도로 회전해야 하는 문제가 있습니다.차량 디퍼렌셜은 휠 한 쌍을 구동하면서 서로 다른 속도로 회전하도록 설계되었습니다.카트 등 디퍼렌셜이 없는 차량의 경우, 양쪽 구동 휠이 동일한 속도로 회전하도록 강제되며, 일반적으로 단순한 체인 구동 메커니즘에 의해 구동되는 공통 액슬 위에서 회전합니다.

코너링 시 내측 휠은 외측 휠보다 짧은 거리를 이동하므로 디퍼렌셜이 없을 경우 내측 휠이 너무 빨리 회전하거나 외측 휠이 너무 느리게 회전하여 핸들링이 어렵고 예측 불가능한 상태, 타이어 및 도로 손상, 드라이브트레인에 무리를 줄 수 있습니다.

자동차 구동축을 디퍼렌셜에 연결하는 하이포이드 기어 쌍

후륜 구동 자동차의 경우 중앙 구동축(또는 프로펠러축)이 하이포이드 기어(링 및 피니언)를 통해 디퍼렌셜을 결합합니다.링 기어는 디퍼렌셜을 형성하는 유성 체인의 캐리어에 장착됩니다.이 하이포이드 기어는 구동 회전 방향을 바꾸는 베벨 기어입니다.

트랙션 상실

오픈 디퍼렌셜의 바람직하지 않은 부작용 중 하나는 이상적인 조건보다 낮은 조건에서 트랙션을 제한할 수 있다는 것입니다.차량을 전진시키는 데 필요한 트랙션의 양은 차량의 중량, 드래그 및 마찰의 정도, 도로의 경사도, 차량의 운동량 등에 따라 달라집니다.

구동 휠에 가해지는 토크는 엔진, 변속기 및 구동 액슬이 해당 휠의 트랙션 저항에 대해 비틀림 힘을 가한 결과입니다.저단 기어, 즉 저단 속도에서는 부하가 매우 높지 않는 한 드라이브트레인은 필요한 만큼의 토크를 공급할 수 있으므로 각 휠 아래의 트랙션이 제한 요소가 됩니다.따라서 트랙션을 휠이 미끄러지기 전에 타이어와 노면 사이에 전달될 수 있는 힘의 양으로 정의하면 편리합니다.구동 휠 중 하나에 가해지는 토크가 트랙션 임계값을 초과하면 해당 휠이 회전하므로 다른 구동 휠에서만 미끄러지는 휠의 슬라이딩 마찰과 동일한 토크를 제공합니다.감소된 순 트랙션으로도 차량을 천천히 추진하기에 충분할 수 있습니다.

개방식(잠금 또는 기타 트랙션 지원) 디퍼렌셜은 항상 각 측면에 동일한 토크에 가까운 토크를 공급합니다.이렇게 하면 구동 휠에 가해지는 토크를 어떻게 제한할 수 있는지 설명하기 위해 한쪽 뒷바퀴가 접지력이 좋은 아스팔트 위에 있고 다른 한쪽 뒷바퀴가 미끄러운 얼음 위에 있는 단순한 후륜 구동 차량을 상상해 보십시오.미끄러운 얼음 위에서 옆면을 회전하는 데 토크가 거의 들지 않고, 차동에서는 토크가 양쪽으로 균등하게 분할되기 때문에 아스팔트 위에 있는 옆면에 가해지는 토크는 이 [9][10]양으로 제한됩니다.

하중, 경사 등을 기준으로 차량이 전진하기 위해서는 구동 휠에 일정량의 토크가 가해져야 합니다.오픈 디퍼렌셜은 양쪽 구동 휠에 가해지는 총 토크를 하부 트랙션 휠이 2를 곱한 양으로 제한하므로, 한쪽 휠이 미끄러운 노면에 있을 때 구동 휠에 가해지는 총 토크는 차량 [11]추진에 필요한 최소 토크보다 낮을 수 있습니다.

액티브 차분

성능 트림의 폭스바겐 골프 GTI Mk7에는 전자 제어식 프론트 액슬 횡방향 디퍼렌셜 잠금 장치([12]VAQ라고도 함)가 있습니다.2016년식 Ford Focus RS는 차동 설정이 다릅니다.이는 기본적으로 각 휠에 고유한 디퍼렌셜을 제공합니다.이를 통해 토크 벡터링이 가능하며 [13]필요한 모든 휠에 동력을 전달할 수 있습니다.

열성적인 관심

드리프트는 일본의 산에서 유래한 인기 있는 모터스포츠 스타일입니다.이런 스타일의 운전은 노면을 벗어나지 않고 코너를 통해 차를 미끄러뜨리는 것으로 알려져 있다.운전자가 차량을 쉽게 미끄러뜨릴 수 있도록 제한 슬라이딩 디퍼렌셜 또는 용접 디퍼렌셜을 사용할 수 있습니다.제한된 슬립 디퍼렌셜을 통해 차량의 휠이 동일한 속도로 회전합니다.자동차의 안쪽 바퀴가 바깥쪽 바퀴보다 더 짧은 거리를 가고 있기 때문에 미끄러짐의 원인이 됩니다.이 미끄러짐이 차를 [14]회전시키는 것을 더 쉽게 만듭니다.

비자동차용 애플리케이션

1962년경 Talie가 만든 종이 테이프 리더의 와인딩 릴을 제어하는 데 사용되는 디퍼렌셜.브레이크 슈가 왼쪽 기어를 멈추지 않는 한 베벨 기어는 축에서 자유롭게 회전합니다.이로 인해 유성 기어는 출력축을 우측 피동 기어 속도의 절반으로 구동합니다.
1961년에 차트 레코더를 구동하는 데 사용된 유성 디퍼렌셜.모터는 선 기어와 환상 기어를 구동하고 출력은 유성 기어 캐리어에서 가져옵니다.이것은 어떤 모터가 켜져 있는지에 따라 3가지 다른 속도를 제공합니다.

중국의 남쪽 방향 전차 또한 차동기의 매우 초기 적용이었을 것이다.그 전차는 이동할 때 어떻게 방향을 틀든지 상관없이 끊임없이 남쪽을 가리키는 포인터를 가지고 있었다.그러므로 그것은 나침반의 한 종류로 사용될 수 있었다.차동 메커니즘은 전차의 두 바퀴의 회전 속도 차이에 반응하여 포인터를 적절히 회전시켰다고 널리 알려져 있다.그러나 이 메커니즘은 충분히 정확하지 않았고, 몇 마일을 이동한 후 다이얼은 완전히 반대 방향을 가리킬 수 있었다.

디퍼렌셜의 사용이 가장 먼저 확인된 것은 1720년 조셉 윌리엄슨에 의해 만들어진 시계입니다.그것은 해시계의 판독과 같은 태양 시간을 생산하기 위해 시계 메커니즘에 의해 결정되는 지역 평균 시간에 시간 방정식을 더하기 위해 미분법을 사용했다.18세기 동안 해시계는 "올바른" 시간을 보여주는 것으로 여겨졌기 때문에, 비록 그것이 완벽하게 작동하더라도, 시간 방정식의 계절적 변화 때문에 보통 시계는 자주 재조정되어야 했다.윌리엄슨과 다른 방정식 시계들은 재조정할 필요 없이 해시계 시간을 보여주었다.오늘날, 우리는 시계가 "올바른" 시계라고 생각하고 해시계는 대개 부정확하다고 생각하기 때문에, 많은 해시계는 시계 시간을 얻기 위해 판독치를 사용하는 방법에 대한 지침을 가지고 있습니다.

20세기 전반에는 차동 분석기라고 불리는 기계식 아날로그 컴퓨터가 개발되어 차동 기어열을 사용하여 덧셈과 뺄셈수행하였다.미 해군의 Mk.1 총기 통제 컴퓨터는 베벨 기어 타입의 약 160개의 차동기를 사용했다.

차동 기어 트레인은 2개의 입력 차축 간의 차이를 허용하기 위해 사용할 수 있습니다.공장에서는 종종 이러한 기어를 사용하여 필요한 축에 토크를 가합니다.차분은 또한 시계 제작 시 오류를 평균화하기 위해 두 개의 개별 규제 시스템을 연결하는 데에도 사용됩니다.Greubel Forsey는 쿼드러플 디퍼렌셜 투어빌론에서 디퍼렌셜을 사용하여 두 개의 더블 투어빌론 시스템을 연결합니다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

  1. ^ a b Wright, M. T. (2007). "The Antikythera Mechanism reconsidered" (PDF). Interdisciplinary Science Reviews. 32 (1): 27–43. doi:10.1179/030801807X163670. S2CID 54663891. Retrieved 20 May 2014.
  2. ^ Basic Mechanisms in Fire Control Computers, Part 1, Shafts Gears Cams and Differentials, posted as 'U.S. Navy Vintage Fire Control Computers' (Training Film). U.S. Navy. 1953. Event occurs at 37 seconds. MN-6783a. Archived from the original on 18 November 2021. Retrieved 20 September 2021.
  3. ^ 2007년 3월 6일 아테네에서 열린 NHRF에 대한 프레젠테이션– M. T. 라이트
  4. ^ 브리태니커 온라인
  5. ^ "History of the Automobile". General Motors Canada. Retrieved 9 January 2011.
  6. ^ Preston, J.M. (1987), Aveling & Porter, Ltd. Rochester., North Kent Books, pp. 13–14, ISBN 0-948305-03-7 에는 단면도가 포함됩니다.
  7. ^ Uicker, J. J.; Pennock, G. R.; Shigle, J. E. (2003). Theory of Machines and Mechanisms (3rd ed.). New York: Oxford University Press. ISBN 9780195155983.
  8. ^ Sawant, Krushna. "What is Differential? – Types, Working, Parts, Diagram". AutomobileInformer.com. Retrieved 3 July 2022.
  9. ^ Bonnick, Allan (2001). Automotive Computer Controlled Systems. p. 22. ISBN 9780750650892.
  10. ^ Bonnick, Allan (2008). Automotive Science and Mathematics. p. 123. ISBN 9780750685221.
  11. ^ Chocholek, S. E. (1988). "The Development of a Differential for the Improvement of Traction Control".
  12. ^ "Golf VII GTI". PistonHeads.com. Retrieved 24 June 2013.
  13. ^ "The 2016 Ford Focus RS Gets an Advanced Torque-Vectoring AWD System". Automobile. 4 November 2015. Retrieved 21 September 2020.
  14. ^ Skwarczek, Matthew (29 March 2020). "What Makes a Limited-Slip Differential Desirable?". MotorBiscuit. Retrieved 21 September 2020.

외부 링크