Diferencial (mecánica)

La versión actual de la página aún no ha sido revisada por colaboradores experimentados y puede diferir significativamente de la versión revisada el 31 de agosto de 2021; las comprobaciones requieren 2 ediciones .

Diferencial (del latín  differentia  - diferencia, diferencia) - un mecanismo para transmitir energía por rotación, que permite, sin deslizamiento y pérdida de eficiencia , agregar dos flujos de energía entrantes independientes en sus velocidades angulares en uno saliente, para descomponer una potencia entrante fluyen en dos salientes interdependientes en sus velocidades angulares, y también funcionan en la primera y segunda versión alternativamente. El principal objetivo del diferencial en tecnología son las transmisiones.vehículos, en los que el diferencial divide el flujo de potencia del motor en dos entre las ruedas, los ejes, las orugas, las hélices de aire y de agua. Otro uso de diferenciales en ingeniería en general y en tecnología de transporte en particular es secundario e infrecuente. La base mecánica del diferencial predeterminado es el engranaje planetario, como el único de todos los engranajes rotativos que tiene dos grados de libertad .

Cita

El uso de diferenciales en las transmisiones de los vehículos se debe a la necesidad de asegurar el giro de las ruedas motrices de un mismo eje a distintas frecuencias. En primer lugar, esto es necesario en las esquinas, pero también con diferentes diámetros de las ruedas motrices, lo que es posible con la instalación forzada de neumáticos de dos tamaños diferentes o con una diferencia en la presión de los neumáticos. En el caso de que ambas ruedas tengan una conexión cinemática rígida, cualquier discrepancia entre las velocidades de rotación por las razones anteriores da lugar a la aparición de la denominada circulación parásita de potencia. Este fenómeno ciertamente dañino provoca el deslizamiento de una rueda con menor fuerza de tracción en relación con la superficie de la carretera, desestabiliza el movimiento del automóvil en arco, carga la transmisión y el motor, aumenta el consumo de combustible y se manifiesta cuanto más fuerte cuanto menor es el radio de giro. y cuanto mayores sean las fuerzas de adherencia que actúan sobre las ruedas. El diferencial, instalado en la sección de los árboles de transmisión de las ruedas de un eje, le permite romper la conexión cinemática rígida entre las ruedas y eliminar la circulación parásita de potencia, sin perder la capacidad de transferir potencia a cada rueda con una eficiencia. cerca del 100%. Tal diferencial se denomina "eje cruzado", y esta área de aplicación es la principal para los diferenciales en general, ya que el diferencial del eje cruzado está presente en la transmisión de las ruedas motrices de todos los automóviles, camiones y la gran mayoría de los coches todoterreno , deportivos y de carreras .

Además de impulsar las ruedas motrices de un automóvil, también se utilizan diferenciales:

Dispositivo

La base de cualquier diferencial solo puede ser un engranaje planetario , el cual, por la mecánica de su trabajo, es el único de todos los engranajes de movimiento rotatorio que puede solucionar los problemas que enfrenta el diferencial en la transmisión. El término "diferencial planetario" es redundante: cualquier diferencial es planetario por defecto. La actuación del PP como diferencial no depende en absoluto ni de su composición ni de su forma, ni de la elección de eslabones específicos para liderar o impulsar. Cualquier PP en su versión más simple, un mecanismo planetario de tres enlaces sin ningún elemento de control, puede realizar las funciones de descomponer un flujo en dos interconectados o agregar dos flujos independientes en uno. La elección de otros enlaces PP como principales y otros como conducidos está determinada solo por la cinemática requerida de los enlaces del diferencial con otros elementos de transmisión y las peculiaridades de la mecánica del diferencial en el formato seleccionado de la distribución de funciones. entre los enlaces. La adición de PP con elementos de control y el uso de los llamados mecanismos planetarios complejos le da al diferencial la capacidad de igualar mutuamente las velocidades angulares de los flujos y la capacidad de controlar activamente estas velocidades.

El tipo de diferencial canónico más conocido es el diferencial de eje transversal de un automóvil, hecho sobre la base de un mecanismo planetario espacial simple (es decir, de tres enlaces) del esquema SHS en cuatro engranajes cónicos. El portador del engranaje planetario de dicho diferencial es en realidad todo su cuerpo: este es el enlace principal ➁. Los dos engranajes son satélites en un eje común ➂. Y los dos engranajes son dos soles, dos eslabones impulsados ​​➃. La energía se suministra a la carcasa (portador) a través de un engranaje impulsado por el engranaje principal rígidamente fijo , que a su vez, junto con el engranaje impulsor ➀, es formalmente otro elemento de transmisión, a pesar de que el diferencial con el engranaje impulsado a menudo parece un solo engranaje. unidad de montaje Se quita potencia a dos soles, a los que, en este caso, se unen ejes con juntas homocinéticas.

Ubicación

En vehículos con un solo eje motriz, el diferencial está ubicado en el eje motriz.

Los vehículos de eje tándem tienen dos diferenciales, uno para cada eje.

En vehículos con tracción total enchufable , un diferencial en cada eje. En tales máquinas, no se recomienda conducir en carreteras con una superficie densa y con la tracción total activada.

En los automóviles con tracción total permanente , hay tres diferenciales: uno en cada eje (entre ruedas), más uno que distribuye el par entre los ejes (entre ejes).

Con tres o cuatro ejes motrices ( fórmula de ruedas 6×6 u 8×8), se suma un diferencial entre camiones .

El problema de una rueda patinando

Un diferencial convencional ("libre") funciona siempre que las ruedas motrices estén indisolublemente unidas a la carretera. Pero cuando una de las ruedas pierde tracción (acaba en el aire, en el barro o en el hielo), es esta rueda la que gira, mientras que la otra, apoyada sobre suelo firme, permanece inmóvil. Si una de las ruedas pierde agarre, su resistencia a la rotación disminuye y se produce el giro sin que aumente significativamente el momento de resistencia (el rozamiento por deslizamiento en la zona de contacto es menor que el rozamiento estático y no depende significativamente de la velocidad de deslizamiento) . En el momento en que la rueda comienza a patinar, los pares de las ruedas son iguales entre sí, por ejemplo, cuando una rueda está sobre hielo y la otra sobre una superficie plana y seca (asfalto), el momento en ambas ruedas es igual a el más pequeño, es decir el del hielo.

Con un movimiento rectilíneo del automóvil, los satélites no giran sobre su propio eje. Pero cada uno, como una palanca de brazos iguales, divide el par del engranaje impulsado del engranaje principal en partes iguales entre los engranajes de los semiejes. Cuando el automóvil se mueve a lo largo de una trayectoria curva, la rueda interior con respecto al centro del círculo descrito por el automóvil gira más lentamente, la exterior más rápido, mientras que los satélites giran alrededor de su eje, girando alrededor de los engranajes de los semiejes. Pero se conserva el principio de dividir el momento por igual entre las ruedas. La potencia suministrada a las ruedas se redistribuye, ya que es igual al producto del par y la velocidad angular de la rueda. Si el radio de giro es tan pequeño que la rueda interior se detiene, entonces la rueda exterior gira al doble de la velocidad de un automóvil que se mueve en línea recta.

El diferencial no cambia el par, sino que redistribuye la potencia entre las ruedas. Este último siempre es mayor en la rueda que gira más rápido.

Historia de las formas de resolver el problema de una rueda que patina

Diferencial autoblocante

El término se refiere a cualquier diferencial, cuya mecánica le permite bloquearse por sí solo, es decir, igualar las velocidades angulares de los engranajes impulsados ​​y convertirse en una transmisión directa. Los diferenciales autoblocantes no requieren ningún sistema de control externo y funcionan de forma autónoma. En los automóviles, se pueden usar tanto entre ruedas como entre ejes. No se utiliza en vehículos oruga. Convencionalmente, todos estos diferenciales se pueden dividir en dos grupos: los activados por par y los activados por la diferencia de velocidades angulares en los engranajes impulsados. El primer grupo incluye diferenciales con bloqueos de tornillo, gusano y disco. En el segundo, diferenciales con acoplamiento viscoso , diferenciales con bomba gerotor, diferenciales con interruptor automático centrífugo (Eaton G80), diferenciales con embragues de rueda libre (Ferguson). Los diseños como los diferenciales de leva y los diferenciales de Krasikov/Nesterov, en el contexto de los principios de la operación de bloqueo, probablemente pueden considerarse algo intermedio.

Diferenciales de bloqueo forzado

Bloqueo diferencial manual

Al recibir una orden desde la cabina, los engranajes diferenciales se bloquean y las ruedas giran sincronizadamente. Por lo tanto, el diferencial debe bloquearse antes de superar secciones difíciles de la carretera (terreno resbaladizo, obstáculos) y luego desbloquearse después de ingresar a una carretera regular. Se aplica en vehículos todo terreno y SUV .

Al conducir tales automóviles, a menudo no se recomienda bloquear el diferencial cuando el automóvil está en movimiento, es recomendable activar el bloqueo en el estacionamiento. También debe saber que el par generado por el motor es tan grande que puede romper el mecanismo de bloqueo o el eje del eje. Por lo general, los fabricantes de automóviles indican por separado la velocidad máxima recomendada con un diferencial bloqueado; si se excede, es posible que falle la transmisión. El bloqueo incluido, especialmente en el eje delantero, afecta negativamente al manejo.

Control diferencial electrónico

En los SUV equipados con un sistema antideslizamiento (TRC y otros), si una de las ruedas patina, el freno de servicio la frena.

Una solución similar se aplicó en la Fórmula 1 en 1998. En el coche McLaren MP4/13 del equipo McLaren , al girar, el piloto podía frenar la rueda interior con un freno de servicio . Este sistema se prohibió rápidamente, pero en la Fórmula 1 se arraigó el diseño del diferencial de fricción, en el que el embrague es controlado adicionalmente por una computadora. En 2002 se endurecieron los reglamentos técnicos; desde el mismo año hasta el día de hoy, solo se permiten diferenciales del tipo más simple en la Fórmula 1.

La ventaja del control electrónico es que hay más tracción en las curvas y el grado de bloqueo se puede ajustar según las preferencias del conductor. En línea recta, no hay pérdida de potencia del motor en absoluto. La desventaja es que los sensores y actuadores tienen cierta inercia , y dicho diferencial es insensible a las condiciones de la carretera que cambian rápidamente.

DPS

Sistema de bomba doble: un sistema con dos bombas que conecta automáticamente el segundo eje cuando falta uno. Utilizado en los sistemas de tracción total de Honda . Ventajas: funciona automáticamente, ahorra gasolina. Desventajas: capacidad limitada para cruzar a campo traviesa , complejidad, restricciones de remolque .

Bloqueo de diferencial simulado

Imitación de bloqueo de diferencial (en adelante IBD ) - alineación de la velocidad de rotación de las ruedas que patinan y no giran, similar a como se ve en los casos de un bloqueo de diferencial mecánico real, solo que no debido a la conexión mecánica de las ruedas o el forzado reducción en la eficiencia del diferencial, pero debido al frenado de la rueda que patina con un freno de servicio. Al mismo tiempo, de acuerdo con los principios de funcionamiento de cualquier diferencial, en una rueda que resbala con poco agarre, la fuerza de frenado provoca un aumento en el par, lo que lleva a un aumento comparable en el par en una rueda retrasada con alto agarre, lo que, a su vez, le permite utilizar su agarre en la carretera y por lo tanto da el efecto de un aumento general en la fuerza de tracción del eje. El principal mecanismo de control de todos los sistemas IBD son los frenos ABS . La operación del sistema IDU se expresa en un frenado de impulso a corto plazo de una rueda que patina por un freno de servicio, y su efectividad está determinada por la frecuencia de operación, por lo tanto, los sistemas IDU solo se hicieron posibles con el advenimiento de la alta frecuencia moderna. frenos ABS.

La EII es precisamente una imitación. A diferencia de cualquier sistema de bloqueo de diferencial real, que, cuando se activa, parece dejar fuera de servicio el diferencial y, por lo tanto, permite redistribuir los pares a una cierta relación declarada por el coeficiente de bloqueo, el IDU no puede, bajo ninguna circunstancia, poner fuera de servicio el diferencial. y en el proceso de funcionamiento de la IDU los pares están siempre en la única proporción posible inherente a un diferencial dado (para un diferencial transversal, éste suele ser 50/50). La imposibilidad de redistribuir arbitrariamente los pares de acuerdo con las fuerzas de tracción disponibles en las ruedas es un inconveniente irrecuperable de cualquier sistema IDU, y es por eso que IDU no suele usarse en vehículos todoterreno reales, cuyo funcionamiento involucra casos de movimiento con cambiar arbitrariamente las fuerzas de tracción en las ruedas cada segundo en el rango más amplio posible de 0 a 100 por ciento. Otro inconveniente inevitable de cualquier sistema IDU es que cuando se activa la IDU, parte de la potencia del motor se gasta en superar la fuerza de frenado, lo que reduce la cantidad de potencia utilizada efectivamente para el movimiento. Además, la propia rueda frenada puede aumentar la resistencia general al movimiento, aunque los modernos sistemas IDU de alta frecuencia intentan evitarlo.

Por primera vez, el principio de simulación del bloqueo del diferencial se describió en la revista "Young Technician" No. 10 de 1983.

¿Por qué patina el coche? ¿Por qué una de las ruedas motrices, al chocar contra el hielo o el barro, gira violentamente y sin sentido, mientras que la otra, bien acoplada a la carretera, permanece inmóvil? Ustedes probablemente saben que el eje de transmisión de un automóvil está conectado a las ruedas a través de un diferencial que les permite girar a diferentes velocidades. Si no fuera por el diferencial, no se podría evitar el deslizamiento de los neumáticos en las curvas. Sin embargo, en una carretera en mal estado, el diferencial puede ser perjudicial; no es de extrañar que los vehículos todo terreno estén equipados con un bloqueo de diferencial, que evita que una rueda gire cuando la otra está estacionaria.

El estudiante de décimo grado Sergey Kabanov de la región de Sumy propuso una forma simple de aumentar la transitabilidad de los automóviles. “Si la rueda gira sin resistencia”, argumenta, “entonces debe reducirse la velocidad; luego la otra rueda se moverá y el auto comenzará a moverse. Sergey sugiere instalar una válvula en la línea de freno del automóvil. En la posición media de la válvula, la fuerza de frenado se transmite a todas las ruedas, pero al girarla dirigiremos el líquido de frenos a una sola de las ruedas motrices. Para bloquear el diferencial, gire la válvula hacia la rueda que patina y pise el pedal del freno. La grúa vuelve a la posición media por sí sola, bajo la acción de un resorte de retorno; esto garantiza la fiabilidad de los frenos en condiciones normales.

Los sistemas IDU se pueden utilizar en un vehículo tanto solos como junto con varios sistemas de bloqueo reales. El trabajo conjunto de ambos sistemas puede construirse tanto de manera mutuamente excluyente como complementaria. Potencialmente, el sistema IBD se puede utilizar en máquinas de cualquier tipo. En comparación con los diferenciales bloqueados mecánicamente, el IBD no pierde sus cualidades por el funcionamiento, no requiere ajustes ni mantenimiento especial, y no requiere habilidades de conducción especiales por parte del conductor.

Los sistemas IDU no son sistemas de control de tracción en su forma pura y, a diferencia de ellos, los IDU no afectan el control del motor del automóvil de ninguna manera, pero resuelven el problema de maximizar la fuerza de tracción al nivel de potencia disponible imperativamente establecido por el conductor.

Diferencial activo

El término significa cualquier diferencial, cuyo dispositivo le permite redistribuir la potencia / tracción en los enlaces accionados en cualquier proporción requerida para un momento dado de movimiento. Esta es precisamente la diferencia entre un diferencial activo y uno bloqueable, en el que el control de potencia sobre los eslabones accionados es imposible en principio, y está determinado únicamente por las fuerzas de adherencia. Todos los diferenciales activos tienen un sistema de control de dos canales y necesariamente dos elementos de control, dos frenos o dos embragues, que se incluyen en el trabajo bajo comando de fuentes externas. Todos los diferenciales activos, además del engranaje planetario principal, que realiza las funciones de distribución libre de energía, tienen un par de engranajes planetarios o simples adicionales que cumplen la función de redistribuir la energía en su dirección. Cada una de estas transmisiones emparejadas está asociada con su propio elemento de control. Aunque los diferenciales activos no tienen ningún mecanismo de bloqueo, de hecho, todos los diferenciales activos también son bloqueables, solo que no tienen un modo de bloqueo simétrico, sino dos asimétricos (uno para cada uno de los dos lados). En estos modos, el elemento de control del diferencial funciona sin deslizamiento interno, y el propio diferencial se convierte en un cambio descendente y ascendente. En automóviles de pasajeros con diferenciales activos, estos modos extremos pueden no usarse, pero se usan en mecanismos de giro diferenciales de vehículos sobre orugas.

Casos donde no existen diferenciales en una transmisión

No es necesaria la presencia de diferenciales divisorios de potencia en la transmisión de un vehículo de transporte. Sin duda, su ausencia conduce a un aumento de las cargas en la transmisión y un mayor desgaste de las ruedas, pero esto se tolera o, en términos de la operación prevista de una máquina en particular, esto no importa. En principio, un vehículo de cuatro ruedas con tracción en dos ruedas puede prescindir de un diferencial, por ejemplo, un kart o un automóvil de carreras con tracción trasera para carreras en superficies de baja tracción. En casos extraordinarios, incluso un auto de carreras de asfalto puede no tener un diferencial (por ejemplo, el Mazda 787B, ganador de las 24 Horas de Le Mans de 1991 ). En un automóvil de tracción puramente delantera, un diferencial entre ruedas debe ser obligatorio, ya que su ausencia no permitirá un giro adecuado independientemente del tipo de superficie de la carretera. En los autos con tracción en las cuatro ruedas, es posible que no haya diferenciales centrales y, nuevamente, esto no es importante en términos de la operación del auto (por ejemplo, autos de carreras WRC de 2012-2016), o conducir un auto de este tipo es solo permitido en superficies con bajo coeficiente de adherencia (por ejemplo, SUV con eje delantero conectado como UAZ-469, GAZelle 4x4, Sable 4x4 o Jeep Wrangler). No hay diferenciales en las máquinas de tracción del transporte ferroviario: en locomotoras eléctricas, locomotoras diesel, trenes eléctricos, vagones de metro. Las ruedas de un eje de estas máquinas, debido a la superficie cónica del círculo de rodadura y al aumento del ancho de vía en el arco, pueden alejarse ligeramente del centro de la vía y, por lo tanto, proporcionar un diámetro diferente en los puntos de contacto. de la rueda con el carril. Además, las ruedas pueden patinar cuando se mueven en arco, mientras emiten un sonido específico, que es parcialmente nivelado por la pendiente de la vía del tren en las curvas. Los mecanismos separados para girar vehículos sobre orugas también pueden prescindir de diferenciales en su diseño: aquí el movimiento de la máquina a lo largo de un arco está determinado por el deslizamiento de los embragues de fricción o, en general, la máquina tiene solo unos pocos radios de giro fijos. No hay diferenciales en los velomóviles, donde en lugar de ellos, en aras de la reducción de costos y la simplicidad, se utilizan trinquetes ( embragues de sobrerrevolucionado ) más simples y accesibles en las ruedas; tal accionamiento permite que las ruedas giren sobre el eje de transmisión en diferentes velocidades, pero el empuje se transmite sólo a la rueda que gira más lentamente. Los diferenciales no podrán ser en tractores de empuje y pequeña mecanización, donde su ausencia sea compensada por una vía extremadamente estrecha de las ruedas del eje motriz, neumáticos fácilmente deformables y bajo coeficiente de adherencia entre las ruedas y el suelo. Además, el diferencial puede estar ausente en los vehículos eléctricos, que utilizan un motor para cada rueda.

Véase también

Notas

  1. ↑ The Motor Vehicle K.Newton W.Steeds TKGarrett Novena edición pp549-550

Enlaces