Un diferencial es un tren de engranajes con tres ejes de transmisión que tiene la propiedad de que la velocidad de rotación de un eje es el promedio de las velocidades de los otros. Un uso común de los diferenciales es en los vehículos de motor , para permitir que las ruedas en cada extremo de un eje de transmisión giren a diferentes velocidades al tomar curvas. Otros usos incluyen relojes y computadoras analógicas . Los diferenciales también pueden proporcionar una relación de transmisión entre los ejes de entrada y salida (llamada "relación de eje" o "relación de diferencial"). Por ejemplo, muchos diferenciales en vehículos de motor proporcionan una reducción de engranaje al tener menos dientes en el piñón que en la corona dentada .
Historia
Los hitos en el diseño o uso de diferenciales incluyen:
100 a. C.–70 a. C.: El mecanismo de Anticitera se ha datado en este período. Fue descubierto en 1902 en un naufragio por buceadores de esponjas y las investigaciones modernas sugieren que utilizaba 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] [ aclaración necesaria ]
C. 250 d. C .: el ingeniero chino Ma Jun crea el primer carro de guerra bien documentado que apunta hacia el sur , un precursor de la brújula. Su mecanismo de acción no está claro, aunque algunos ingenieros del siglo XX plantearon el argumento de que utilizaba un engranaje diferencial. [2] [ Se necesita aclaración ]
1810: Rudolph Ackermann de Alemania inventa un sistema de dirección de cuatro ruedas para carruajes, que algunos escritores posteriores informan erróneamente como un diferencial.
1823: Aza Arnold desarrolla un tren de transmisión diferencial para su uso en la hilatura de algodón . El diseño se difunde rápidamente por los Estados Unidos y el Reino Unido. [3]
1874: Aveling y Porter de Rochester, Kent, incluyen en su catálogo una locomotora grúa equipada con su engranaje diferencial patentado en el eje trasero. [5]
1876: James Starley de Coventry inventa el diferencial de transmisión por cadena para su uso en bicicletas ; invención utilizada posteriormente en automóviles por Karl Benz .
1897: Mientras construía su automóvil de vapor australiano , David Shearer hizo el primer uso de un diferencial en un vehículo de motor. [6]
Película de 1937 sobre cómo funcionan los diferenciales
Al tomar una curva, las ruedas exteriores de un vehículo deben recorrer una distancia mayor que las ruedas interiores (ya que tienen un radio mayor). Esto se puede solucionar fácilmente cuando las ruedas no están conectadas , pero resulta más difícil para las ruedas motrices , ya que ambas están conectadas al motor (normalmente a través de una transmisión). Algunos vehículos (por ejemplo, los karts y los tranvías ) utilizan ejes sin diferencial, por lo que dependen del deslizamiento de las ruedas al tomar una curva. Sin embargo, para mejorar la capacidad de tomar curvas, muchos vehículos utilizan un diferencial, que permite que las dos ruedas giren a diferentes velocidades.
El propósito de un diferencial es transferir la potencia del motor a las ruedas y, al mismo tiempo, permitir que las ruedas giren a diferentes velocidades cuando sea necesario. A continuación se muestra una ilustración del principio de funcionamiento de un diferencial de piñón y anillo.
Funcionamiento del diferencial durante la conducción en línea recta: Se aplica un par de entrada al engranaje anular (violeta), que hace girar el soporte (violeta) a la misma velocidad. Cuando la resistencia de ambas ruedas es la misma, el engranaje planetario (verde) no gira sobre su eje (aunque el engranaje y su pasador están en órbita debido a que están unidos al soporte). Esto hace que los engranajes planetarios (rojo y amarillo) giren a la misma velocidad, lo que hace que las ruedas del coche también giren a la misma velocidad.
Funcionamiento del diferencial al girar a la izquierda: el par de entrada se aplica al engranaje anular (violeta), que hace girar el soporte (violeta) a la misma velocidad. El engranaje solar izquierdo (rojo) ofrece más resistencia que el engranaje solar derecho (amarillo), lo que hace que el engranaje planetario (verde) gire en sentido antihorario. Esto produce una rotación más lenta en el engranaje solar izquierdo y una rotación más rápida en el engranaje solar derecho, lo que hace que la rueda derecha del coche gire más rápido (y, por tanto, recorra una mayor distancia) que la rueda izquierda.
Diseño de anillo y piñón
Ilustración de un diferencial de piñón y anillo para un vehículo con tracción traseraDiagrama esquemático de un diferencial de piñón y anillo
En los vehículos con tracción trasera se utiliza un diseño relativamente sencillo de diferencial , en el que un engranaje de corona es accionado por un engranaje de piñón conectado a la transmisión. Las funciones de este diseño son cambiar el eje de rotación en 90 grados (del eje de transmisión a los semiejes) y proporcionar una reducción en la relación de transmisión .
Los componentes del diferencial de piñón y anillo que se muestran en el diagrama esquemático de la derecha son: 1. Ejes de salida ( ejes ) 2. Engranaje de transmisión 3. Engranajes de salida 4. Engranajes planetarios 5. Portador 6. Engranaje de entrada 7. Eje de entrada ( eje de transmisión )
Un diferencial de engranajes rectos tiene engranajes rectos de igual tamaño en cada extremo, cada uno de los cuales está conectado a un eje de salida. [8] El par de entrada (es decir, del motor o la transmisión) se aplica al diferencial a través del portador giratorio. [8] Los pares de piñones están ubicados dentro del portador y giran libremente sobre pasadores sostenidos por el portador. Los pares de piñones solo engranan 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. Cada piñón conecta el engranaje recto asociado con el otro engranaje recto (a través del otro piñón). A medida que el portador gira (por el par de entrada), la relación entre las velocidades de la entrada (es decir, el portador) y la de los ejes de salida es la misma que otros tipos de diferenciales abiertos.
Los diferenciales de bloqueo tienen la capacidad de superar la principal limitación de un diferencial abierto estándar al "bloquear" básicamente ambas ruedas de un eje juntas como si estuvieran en un eje común. Esto obliga a ambas ruedas a girar al unísono, independientemente de la tracción (o falta de ella) disponible para cada rueda individualmente. Cuando esta función no es necesaria, el diferencial se puede "desbloquear" para que funcione como un diferencial abierto normal.
Los diferenciales de bloqueo se utilizan principalmente en vehículos todoterreno para superar superficies de agarre variable y poco agarre.
Diferenciales de deslizamiento limitado
Un efecto secundario indeseable de un diferencial regular ("abierto") es que puede enviar la mayor parte de la potencia a la rueda con menor tracción (agarre). [9] [10] En situaciones en las que una rueda tiene un agarre reducido (por ejemplo, debido a las fuerzas de las curvas o una superficie de bajo agarre debajo de una rueda), un diferencial abierto puede provocar que las ruedas patinen en el neumático con menos agarre, mientras que el neumático con más agarre recibe muy poca potencia para impulsar el vehículo hacia adelante. [11]
Para evitar esta situación, se utilizan diversos diseños de diferenciales de deslizamiento limitado para limitar la diferencia de potencia enviada a cada una de las ruedas.
Vectorización del par
La vectorización del par es una tecnología empleada en diferenciales de automóviles que tiene la capacidad de variar el par de cada semieje con un sistema electrónico; o en vehículos ferroviarios que logran lo mismo utilizando ruedas motorizadas individualmente. En el caso de los automóviles, se utiliza para aumentar la estabilidad o la capacidad de viraje del vehículo.
Otros usos
Diferencial planetario utilizado para accionar un registrador gráfico en torno a 1961. Los motores accionan los engranajes solar y anular, mientras que la salida se obtiene del portaengranajes planetarios. Esto proporciona 3 velocidades diferentes según los motores que estén encendidos.
Los usos no automotrices de los diferenciales incluyen la realización de 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 uso más antiguo conocido de un engranaje diferencial se encuentra en el mecanismo de Antikythera, c. 80 a. C., que utilizó un engranaje diferencial para controlar una pequeña esfera que representaba la Luna a partir de la diferencia entre los punteros 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 punto particular en el tiempo. [1] Un reloj de ecuaciones que usaba un diferencial para la suma se fabricó en 1720. En el siglo XX, se utilizaron grandes conjuntos de muchos diferenciales como computadoras analógicas , calculando, por ejemplo, la dirección en la que se debe apuntar un arma. [12]
Dispositivos similares a brújulas
Los carros chinos que apuntaban hacia el sur también pueden haber sido aplicaciones muy tempranas de los diferenciales. El carro tenía un puntero que apuntaba constantemente hacia el sur, sin importar cómo girara el carro mientras viajaba. Por lo tanto, podía usarse como un tipo de brújula . Se cree ampliamente que un mecanismo diferencial respondía a cualquier diferencia entre las velocidades de rotación de las dos ruedas del carro y giraba el puntero de manera apropiada. Sin embargo, el mecanismo no era lo suficientemente preciso y, después de unos pocos kilómetros de viaje, el dial podía apuntar en la dirección incorrecta.
Relojes
El primer uso verificado de un diferencial fue en un reloj fabricado por Joseph Williamson en 1720. Empleaba un diferencial para añadir la ecuación del tiempo a la hora media local , determinada por el mecanismo del reloj, para producir la hora solar , que habría sido la misma 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 normal tendría que reajustarse con frecuencia, incluso si funcionaba perfectamente, debido a las variaciones estacionales en la ecuación del tiempo. Los relojes de ecuación de Williamson y otros mostraban la hora del reloj de sol sin necesidad de reajuste. Hoy en día, consideramos que los relojes son "correctos" y los relojes de sol generalmente incorrectos, por lo que muchos relojes de sol llevan instrucciones sobre cómo utilizar sus lecturas para obtener la hora del reloj.
Computadoras analógicas
Los analizadores diferenciales , un tipo de computadora analógica mecánica, se utilizaron aproximadamente entre 1900 y 1950. Estos dispositivos utilizaban trenes de engranajes diferenciales para realizar sumas y restas.
Suspensión del vehículo
Los exploradores marcianos Spirit y Opportunity (ambos lanzados en 2004) utilizaron engranajes diferenciales en sus suspensiones de balancín para mantener el cuerpo del explorador equilibrado mientras las ruedas de la izquierda y la derecha se movían hacia arriba y hacia abajo sobre terreno irregular. [13] Los exploradores Curiosity y Perseverance utilizaron una barra diferencial en lugar de engranajes para realizar la misma función. [14]
^ ab Wright, MT (2007). "El mecanismo de Antikythera reconsiderado" (PDF) . Interdisciplinary Science Reviews . 32 (1): 27–43. Bibcode :2007ISRv...32...27W. doi :10.1179/030801807X163670. S2CID 54663891 . Consultado el 8 de junio de 2023 .
^ "Historia del automóvil". General Motors Canada . Consultado el 9 de enero de 2011 .
^ Preston, JM (1987). Aveling & Porter, Ltd. Rochester . North Kent Books. págs. 13-14. ISBN0-948305-03-7.
^ "El automóvil a vapor de David Shearer en Mannum en 1897, el primero de Australia, con el primer diferencial del mundo". AdelaideAZ.com . Consultado el 27 de febrero de 2023 .
^ "Inventor de las tecnologías automotrices: el legado de Vernon Gleasman". TheAutoChannel.com . Consultado el 27 de agosto de 2023 .
^ abc "¿Qué es un diferencial de engranajes rectos?". SergeantClutchDiscountTransmission.com . Consultado el 27 de marzo de 2023 .
^ Bonnick, Allan (2001). Sistemas controlados por computadora para automoción. Libros de ciencia y tecnología de Elsevier. pág. 22. ISBN9780750650892.
^ Bonnick, Allan (2008). Ciencia y matemáticas del automóvil. Butterworth-Heinemann. pág. 123. ISBN9780750685221.
^ Chocholek, SE (1988). "El desarrollo de un diferencial para la mejora del control de tracción".
^ Mecanismos básicos en las computadoras de control de fuego, parte 1, ejes, engranajes, levas y diferenciales, publicado como 'Computadoras de control de fuego antiguas de la Marina de los EE. UU.' (Película de capacitación). Marina de los EE. UU. 1953. El evento ocurre a los 37 segundos. MN-6783a. Archivado desde el original el 18 de noviembre de 2021 . Consultado el 20 de septiembre de 2021 .
^ "Ruedas del rover". Mars.NASA.gov . Consultado el 18 de enero de 2023 .
^ "Sistema de movilidad Curiosity, etiquetado". Planetary.org . Consultado el 18 de enero de 2023 .
Lectura adicional
Popular Science, mayo de 1946, Cómo su automóvil gira en las esquinas, un extenso artículo con numerosas ilustraciones sobre cómo funcionan los diferenciales
Enlaces externos
Wikimedia Commons alberga una categoría multimedia sobre Diferenciales de automóviles .
Un vídeo de un modelo 3D de un diferencial abierto.
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