Diferencial (dispositivo mecânico) - Differential (mechanical device)

Um diferencial de engrenagem reta construído ao engatar as engrenagens planetárias de dois trens de engrenagens epicicloidais coaxiais . A caixa é o suporte para este trem de engrenagens planetárias.

Um diferencial é um trem de engrenagens com três eixos que tem a propriedade de que a velocidade de rotação de um eixo é a média das velocidades dos outros, ou um múltiplo fixo dessa média.

Descrição Funcional

O torque de entrada é aplicado à coroa (azul), que gira todo o suporte (azul). O suporte é conectado a ambas as engrenagens solares (vermelha e amarela) apenas através da engrenagem planetária (verde). O torque é transmitido às engrenagens solares por meio da engrenagem planetária. A engrenagem planetária gira em torno do eixo do portador, acionando as engrenagens solares. Se a resistência em ambas as rodas for igual, a engrenagem planetária gira sem girar em torno de seu próprio eixo e as duas rodas giram na mesma proporção.
Se a engrenagem solar esquerda (vermelha) encontrar resistência, a engrenagem solar (verde) gira e também gira, permitindo que a engrenagem solar esquerda desacelere, com uma mesma aceleração da engrenagem solar direita (amarela).

A seguinte descrição de um diferencial se aplica a um carro ou caminhão com tração traseira tradicional com um diferencial de deslizamento aberto ou limitado combinado com um conjunto de engrenagens de redução usando engrenagens cônicas (estas não são estritamente necessárias - consulte o diferencial de engrenagem reta ):

Assim, por exemplo, se o carro estiver fazendo uma curva para a direita, a coroa dentada principal pode fazer 10 rotações completas. Durante esse tempo, a roda esquerda fará mais rotações porque tem que percorrer mais longe, e a roda direita fará menos rotações porque tem menos distância a percorrer. As engrenagens solares (que acionam os semieixos do eixo) irão girar em velocidades diferentes em relação à coroa (uma mais rápida, uma mais lenta) por, digamos, 2 voltas completas cada (4 voltas completas uma em relação à outra), resultando no roda esquerda fazendo 12 rotações, e a roda direita fazendo 8 rotações.

A rotação da coroa dentada é sempre a média das rotações das engrenagens solares laterais. É por isso que se as rodas motrizes forem levantadas do solo com o motor desligado e o eixo de transmissão for mantido (digamos, deixar a transmissão engrenada evitando que a coroa giratória gire dentro do diferencial), girar manualmente uma roda motriz causa o a roda oposta para girar na direção oposta na mesma proporção.

Quando o veículo está viajando em linha reta, não haverá movimento diferencial do sistema planetário de engrenagens, exceto os movimentos mínimos necessários para compensar pequenas diferenças no diâmetro das rodas, ondulações na estrada que tornam o caminho das rodas mais longo ou mais curto, etc.

Formulários

Diferencial automotivo: A engrenagem motriz 2 é montada no suporte 5 que suporta as engrenagens cônicas planetárias 4 que engatam as engrenagens cônicas acionadas 3 fixadas aos eixos 1.
Diferencial ZF . O eixo de transmissão entra pela frente e os eixos acionados funcionam para a esquerda e para a direita.
Diferencial de carro de um Škoda 422

Em automóveis e outros veículos com rodas, o diferencial permite que a roda motriz externa gire mais rápido do que a roda motriz interna durante uma curva. Isso é necessário quando o veículo faz uma curva, fazendo com que a roda que está circulando do lado de fora da curva de curva role mais longe e mais rápido que a outra. A média da velocidade de rotação das duas rodas motrizes é igual à velocidade de rotação de entrada do eixo motriz. Um aumento na velocidade de uma roda é compensado por uma diminuição na velocidade da outra.

Quando usado dessa forma, um diferencial acopla o eixo da hélice de entrada longitudinal ao pinhão , que por sua vez aciona a coroa transversal do diferencial. Isso geralmente funciona também como engrenagem de redução . Em veículos de tração traseira, o diferencial pode se conectar a semi-eixos dentro de uma carcaça de eixo ou eixos de tração que se conectam às rodas motrizes traseiras. Os veículos de tração dianteira tendem a ter o virabrequim do motor e os eixos da caixa de câmbio transversais, e com o pinhão na extremidade do contraeixo da caixa de câmbio e o diferencial encerrado na mesma carcaça que a caixa de câmbio. Existem eixos de transmissão individuais para cada roda. Um diferencial consiste em uma entrada (o eixo de transmissão) e duas saídas, que são conectadas às duas rodas de transmissão; no entanto, as rotações das rodas motrizes são acopladas umas às outras por sua conexão com a estrada. Em condições normais, com pequena derrapagem, a razão das velocidades das duas rodas motrizes é definida pela razão dos raios dos caminhos em torno dos quais as duas rodas estão rolando, que por sua vez é determinada pela largura da pista do veículo (a distância entre as rodas motrizes) e o raio da curva.

Os usos não automotivos de diferenciais incluem a realização de aritmética analógica . Dois dos três eixos do diferencial são feitos para girar em ângulos que representam (são proporcionais a) dois números, e o ângulo de rotação do terceiro eixo representa a soma ou diferença dos dois números de entrada. O primeiro uso conhecido de uma engrenagem diferencial está no mecanismo de Antikythera , por volta de 80 aC, que usava uma engrenagem diferencial para controlar uma pequena esfera representando a lua a partir da diferença entre os ponteiros de posição do sol e da lua. A bola foi pintada em preto e branco em hemisférios e mostrava graficamente a fase da lua em um determinado ponto no tempo. Um relógio de equação que usava um diferencial para adição foi feito em 1720. No século 20, grandes conjuntos de muitos diferenciais eram usados ​​como computadores analógicos , calculando, por exemplo, a direção em que uma arma deveria ser apontada.

História

Muitas são as reivindicações da invenção da engrenagem diferencial, mas é possível que ela fosse conhecida, pelo menos em alguns lugares, em tempos remotos. Marcos históricos confirmados do diferencial incluem:

Diferencial epicíclico

A engrenagem epicíclica é usada aqui para distribuir o torque de forma assimétrica. O eixo de entrada é o verde oco, o amarelo é a saída de baixo torque e o rosa é a saída de alto torque. A força aplicada nas engrenagens amarela e rosa é a mesma, mas como o braço da rosa é 2 × a 3 × tão grande, o torque será 2 × a 3 × tão alto.

Um diferencial epicíclico pode usar engrenagens epicíclicas para dividir e distribuir o torque assimetricamente entre os eixos dianteiro e traseiro. Um diferencial epicíclico está no coração do trem de força automotivo Toyota Prius , onde ele interconecta o motor, motores-geradores e as rodas motrizes (que têm um segundo diferencial para dividir o torque como de costume). Ele tem a vantagem de ser relativamente compacto ao longo do comprimento de seu eixo (ou seja, o eixo da engrenagem solar).

As engrenagens epicíclicas também são chamadas de engrenagens planetárias porque os eixos das engrenagens planetárias giram em torno do eixo comum do sol e das engrenagens de anel com as quais elas se articulam e rolam entre elas. Na imagem, o eixo amarelo carrega a engrenagem solar que está quase escondida. As engrenagens azuis são chamadas de engrenagens planetárias e a engrenagem rosa é a coroa ou anel.

Engrenagens de anel também são usadas em motores de partida .

Diferencial de engrenagem dentada

Um diferencial de engrenagem reta tem duas engrenagens de mesmo tamanho, uma para cada semi-eixo, com um espaço entre elas. Em vez da engrenagem cônica , também conhecida como engrenagem de esquadria, montada (a "aranha") no centro do diferencial, há um suporte giratório no mesmo eixo dos dois eixos. O torque de um motor principal ou transmissão , como o eixo de transmissão de um carro, gira esse portador.

Montados neste suporte estão um ou mais pares de engrenagens idênticas, geralmente mais longas do que seus diâmetros e, normalmente, menores do que as engrenagens de dentes retos nos semieixos individuais. Cada par de pinhão gira livremente nos pinos suportados pelo transportador. Além disso, os pares de pinhões são deslocados axialmente, de modo que engrenam apenas na parte de seu comprimento entre as duas engrenagens de dentes retos e giram em direções opostas. O comprimento restante de um determinado pinhão se engrena com a engrenagem reta mais próxima em seu eixo. Portanto, cada pinhão acopla essa engrenagem dentada ao outro pinhão e, por sua vez, à outra engrenagem dentada, de modo que quando o eixo de acionamento gira o suporte, sua relação com as engrenagens para os eixos de roda individuais é a mesma que em um chanfro - diferencial de engrenagem.

Um diferencial de engrenagem reta é construído a partir de dois trens de engrenagem epicíclica coaxial idêntica montados com um único suporte de modo que suas engrenagens planetárias sejam engatadas. Isso forma um trem de engrenagens planetárias com uma relação de trem de suporte fixa R = -1 .

Neste caso, a fórmula fundamental para o trem de engrenagens planetárias cede,

ou

Assim, a velocidade angular do portador de um diferencial de engrenagem reta é a média das velocidades angulares do sol e das engrenagens anulares.

Ao discutir o diferencial da engrenagem reta, o uso do termo engrenagem anular é uma maneira conveniente de distinguir as engrenagens solares dos dois trens de engrenagem epicicloidal. A segunda engrenagem solar serve ao mesmo propósito que a engrenagem anular de um trem de engrenagem planetária simples, mas claramente não tem o acoplamento de engrenagem interno que é típico de uma engrenagem anular.

Aplicações não automotivas

Diferencial usado para controlar a bobina de recolhimento de um leitor de fita de papel feito por Tally por volta de 1962. As engrenagens cônicas giram livremente em seus eixos, a menos que uma sapata de freio pare a engrenagem esquerda. Isso faz com que a engrenagem planetária acione o eixo de saída à metade da velocidade da engrenagem acionada à direita.
Diferencial planetário usado para acionar um registrador gráfico por volta de 1961. Os motores acionam o sol e as engrenagens anulares, enquanto a saída é obtida do suporte da engrenagem planetária. Isso dá 3 velocidades diferentes dependendo de quais motores estão ligados.

As bigas chinesas apontando para o sul também podem ter sido as primeiras aplicações dos diferenciais. A carruagem tinha um ponteiro que constantemente apontava para o sul, não importando como a carruagem girava enquanto viajava. Portanto, poderia ser usado como um tipo de bússola . É amplamente aceito que um mecanismo diferencial respondia a qualquer diferença entre as velocidades de rotação das duas rodas da carruagem e girava o ponteiro apropriadamente. No entanto, o mecanismo não era preciso o suficiente e, depois de alguns quilômetros de viagem, o mostrador poderia muito bem estar apontando na direção completamente oposta.

O primeiro uso definitivamente verificado de um diferencial foi em um relógio feito por Joseph Williamson em 1720. Ele empregou um diferencial para adicionar a equação do tempo ao tempo médio local , conforme determinado pelo mecanismo do relógio, para produzir o tempo solar , que teria sido o mesmo que a leitura de um relógio de sol . Durante o século 18, os relógios de sol eram considerados para mostrar a hora "correta", então um relógio comum freqüentemente teria que ser reajustado, mesmo se funcionasse perfeitamente, por causa das variações sazonais na equação do tempo. Os relógios de Williamson e outras equações mostravam a hora do relógio de sol sem a necessidade de reajustes. Hoje em dia, consideramos os relógios "corretos" e os relógios de sol geralmente incorretos, portanto, muitos relógios de sol trazem instruções sobre como usar suas leituras para obter a hora do relógio.

Na primeira metade do século XX, foram construídos computadores analógicos mecânicos , chamados de analisadores diferenciais , que usavam trens de engrenagens diferenciais para realizar adição e subtração . O computador de controle de fogo de armas da Marinha dos EUA Mk.1 usava cerca de 160 diferenciais do tipo engrenagem cônica.

Um trem de engrenagem diferencial pode ser usado para permitir uma diferença entre dois eixos de entrada. Os moinhos costumavam usar essas engrenagens para aplicar o torque no eixo necessário. Os diferenciais também são usados ​​desta forma na relojoaria para ligar dois sistemas de regulação separados com o objetivo de calcular a média de erros. Greubel Forsey usa um diferencial para conectar dois sistemas de turbilhão duplo em seu turbilhão diferencial quádruplo.

Aplicativo para veículos

"Around the Corner" (1937), filme Jam Handy feito para a Chevrolet explicando como funciona um diferencial aberto

Um veículo com duas rodas motrizes tem o problema de que, quando faz uma curva, as rodas motrizes devem girar em velocidades diferentes para manter a tração. O diferencial automotivo é projetado para acionar um par de rodas enquanto permite que girem em velocidades diferentes. Em veículos sem diferencial, como os karts , as duas rodas motrizes são forçadas a girar na mesma velocidade, geralmente em um eixo comum acionado por um mecanismo simples de transmissão por corrente.

Ao curvar, a roda interna percorre uma distância menor do que a roda externa, portanto, sem um diferencial, a roda interna gira muito rápido ou a roda externa gira muito lentamente, o que resulta em manuseio difícil e imprevisível, danos aos pneus e estradas e tensão no (ou possível falha) do trem de força .

Em automóveis com tração traseira, o eixo de acionamento central (ou eixo de propulsão) engata o diferencial por meio de uma engrenagem hipóide (anel e pinhão). A coroa é montada no suporte da corrente planetária que forma o diferencial. Esta engrenagem hipóide é uma engrenagem cônica que muda a direção da rotação da unidade.

Par de engrenagens hipóide que conecta um eixo de transmissão automotivo a um diferencial

Perda de tração

Um efeito colateral indesejável de um diferencial aberto é que ele pode limitar a tração em condições abaixo das ideais. A quantidade de tração necessária para impulsionar o veículo em um determinado momento depende da carga naquele instante - quão pesado é o veículo, quanto arrasto e atrito existe, a inclinação da estrada, o impulso do veículo e assim por diante.

O torque aplicado a cada roda motriz é o resultado do motor , transmissão e eixo motriz aplicando uma força de torção contra a resistência de tração naquela roda. Em marchas mais baixas e, portanto, em velocidades mais baixas, e a menos que a carga seja excepcionalmente alta, o trem de força pode fornecer tanto torque quanto necessário, de modo que o fator limitante torna-se a tração sob cada roda. Portanto, é conveniente definir tração como a quantidade de força que pode ser transmitida entre o pneu e a superfície da estrada antes que a roda comece a patinar. Se o torque aplicado a uma das rodas motrizes exceder o limite de tração, essa roda irá girar e, portanto, fornecerá torque apenas na outra roda acionada igual ao atrito deslizante na roda deslizante. A tração líquida reduzida ainda pode ser suficiente para impulsionar o veículo lentamente.

Um diferencial aberto (sem travamento ou com auxílio de tração) sempre fornece torque próximo do mesmo para cada lado. Para ilustrar como isso pode limitar o torque aplicado às rodas motrizes, imagine um veículo simples com tração traseira , com uma roda traseira no asfalto com boa aderência e a outra em um pedaço de gelo escorregadio. É necessário muito pouco torque para girar o lado em gelo escorregadio e, como um diferencial divide o torque igualmente para cada lado, o torque aplicado ao lado que está no asfalto é limitado a essa quantidade.

Com base na carga, gradiente, etc., o veículo requer uma certa quantidade de torque aplicado às rodas motrizes para se mover para a frente. Uma vez que um diferencial aberto limita o torque total aplicado a ambas as rodas motrizes à quantidade usada pela roda de tração inferior multiplicada por dois, quando uma roda está em uma superfície escorregadia, o torque total aplicado às rodas motrizes pode ser inferior ao torque mínimo necessário para propulsão de veículos.

Uma forma alternativa proposta para distribuir a potência às rodas é usar o conceito de um diferencial sem engrenagem , sobre o qual uma revisão foi relatada por Provatidis, mas as várias configurações parecem corresponder tanto ao tipo "pinos deslizantes e cames", como como o ZF B-70 disponível nos primeiros Volkswagens , ou são uma variação do diferencial de bola .

Muitos veículos mais novos apresentam controle de tração , que atenua parcialmente as características de tração pobres de um diferencial aberto, usando o sistema de frenagem antibloqueio para limitar ou parar o deslizamento da roda de tração baixa, aumentando o torque que pode ser aplicado à roda oposta. Embora não seja tão eficaz quanto um diferencial com auxílio de tração, é melhor do que um simples diferencial mecânico aberto sem auxílio de tração.

ARB, diferencial de travamento a ar
Um desenho em corte do eixo traseiro de um carro , mostrando a roda de coroa e o pinhão da transmissão final e as engrenagens do diferencial menores
Uma vista em corte de uma unidade de transmissão final automotiva que contém o diferencial

Diferenciais ativos

Uma tecnologia relativamente nova é o 'diferencial ativo' controlado eletronicamente. Uma unidade de controle eletrônico (ECU) usa entradas de vários sensores, incluindo taxa de guinada , ângulo de entrada de direção e aceleração lateral - e ajusta a distribuição de torque para compensar comportamentos de manuseio indesejáveis, como subviragem .

Diferenciais ativos totalmente integrados são usados ​​na Ferrari F430 , Mitsubishi Lancer Evolution , Lexus RC F e GS F , e nas rodas traseiras no Acura RL . Uma versão fabricada pela ZF também está sendo oferecida nos chassis B8 Audi S4 e Audi A4 . O Volkswagen Golf GTI Mk7 com acabamento Performance também tem uma trava do diferencial transversal do eixo dianteiro controlada eletronicamente, também conhecida como VAQ. O Ford Focus RS 2016 tem um tipo diferente de configuração de diferencial. Isso basicamente dá a cada roda seu próprio diferencial. Isso permite a vetorização de torque e pode enviar potência para qualquer roda que precise dela.

Interesse entusiasta

Drifting é um estilo popular de automobilismo que tem suas origens nas montanhas japonesas. Este estilo de direção é conhecido por deslizar um carro em uma curva sem sair da superfície da estrada. Para deslizar facilmente o carro, o motorista pode usar um diferencial de deslizamento limitado ou um diferencial soldado. Um diferencial de deslizamento limitado faz as rodas do veículo girarem na mesma velocidade. Como a roda interna do carro está percorrendo uma distância menor do que a roda externa, isso causa patinagem. Essa derrapagem é o que torna mais fácil deslizar o carro em uma curva.

Veja também

Referências

links externos