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 engranajes al tener menos dientes en el piñón que la corona .
Historia
Los hitos en el diseño o uso de diferenciales incluyen:
100 a. C.-70 a. C.: el mecanismo de Antikythera data de este período. Fue descubierto en 1902 en un naufragio por buceadores de esponjas , y las investigaciones modernas sugieren que utilizó un engranaje diferencial para determinar el ángulo entre las posiciones eclípticas del Sol y la Luna y, por tanto, la fase de la Luna. [1] [ se necesita aclaración ]
C. 250 CE: el ingeniero chino Ma Jun crea el primer carro bien documentado que apunta al 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 en las cuatro ruedas para carruajes, que algunos escritores posteriores describen erróneamente como un diferencial.
1874: Aveling y Porter de Rochester, Kent incluyen en su catálogo una locomotora grúa equipada con su engranaje diferencial patentado en el eje trasero. [4]
1876: James Starley de Coventry inventa el diferencial de transmisión por cadena para uso en bicicletas ; Invento utilizado 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. [5]
Película de 1937 sobre cómo funcionan los diferenciales.
Al tomar una curva, las ruedas exteriores de un vehículo deben viajar más lejos que las ruedas interiores (ya que tienen un radio mayor). Esto se soluciona fácilmente cuando las ruedas no están conectadas , sin embargo, se vuelve más difícil para las ruedas motrices , ya que ambas ruedas están conectadas al motor (generalmente a través de una transmisión). Algunos vehículos (por ejemplo , karts y tranvías ) utilizan ejes sin diferencial, por lo que dependen del deslizamiento de las ruedas en las curvas. 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 anillo y piñón.
Operación diferencial mientras se conduce en línea recta: el par de entrada se aplica a la corona dentada (púrpura), que hace girar el portador (púrpura) 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 sujetos al transportador). Esto hace que los engranajes solares (rojo y amarillo) giren a la misma velocidad, lo que hace que las ruedas del automóvil también giren a la misma velocidad.
Operación diferencial al girar a la izquierda: el torque de entrada se aplica a la corona dentada (púrpura), que hace girar el portador (púrpura) a la misma velocidad. El planeta izquierdo (rojo) proporciona más resistencia que el planeta derecho (amarillo), lo que hace que el 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 automóvil gire más rápido (y por lo tanto viaje más lejos) que la rueda izquierda.
Diseño de anillo y piñón
Ilustración de un diferencial de anillo y piñón para un vehículo con tracción traseraDiagrama esquemático de un diferencial de anillo y piñón.
En los vehículos con tracción trasera se utiliza un diseño de diferencial relativamente simple , mediante el cual una corona dentada es impulsada por un piñón conectado a la transmisión. Las funciones de este diseño son cambiar el eje de rotación en 90 grados (desde el eje de transmisión hasta los semiejes) y proporcionar una reducción en la relación de transmisión .
Los componentes del diferencial de anillo y piñón que se muestran en el diagrama esquemático de la derecha son: 1. Ejes de salida ( ejes ) 2. Engranaje impulsor 3. Engranajes de salida 4. Engranajes planetarios 5. Portador 6. Engranaje de entrada 7. Eje de entrada ( Eje de accionamiento )
Un diferencial epicicloidal utiliza engranajes epicíclicos para enviar ciertas proporciones de torque al eje delantero y al eje trasero en un vehículo con tracción total . [ cita necesaria ] Una ventaja del diseño epicíclico es que tiene un ancho relativamente compacto (cuando se ve a lo largo del eje de su eje de entrada). [ cita necesaria ]
Diseño de engranaje recto
Diferencial de engranaje recto
Un diferencial de engranaje recto tiene engranajes rectos del mismo tamaño en cada extremo, cada uno de los cuales está conectado a un eje de salida. [7] El par de entrada (es decir, del motor o de la transmisión) se aplica al diferencial a través del soporte giratorio. [7] Los pares de piñones están ubicados dentro del portador y giran libremente sobre los pasadores sostenidos por el portador. Los pares de piñones engranan sólo en la parte de su longitud entre los dos engranajes rectos y giran en direcciones opuestas. La longitud restante de un piñón determinado engrana con el engranaje recto más cercano a su eje. Cada piñón conecta el engranaje recto asociado al 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 la de otros tipos de diferenciales abiertos.
Los diferenciales de bloqueo tienen la capacidad de superar la principal limitación de un diferencial abierto estándar esencialmente "bloqueando" 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 la falta de ella) disponible para cada rueda individualmente. Cuando no se requiere esta función, 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 de bajo 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). [8] [9] En una situación en la que una rueda tiene un agarre reducido (por ejemplo, debido a las fuerzas en las curvas o a una superficie de bajo agarre debajo de una rueda), un diferencial abierto puede causar que la rueda patine en el neumático con menos agarre, mientras que el neumático con más agarre recibe muy poca potencia para impulsar el vehículo hacia adelante. [10]
Para evitar esta situación, se utilizan varios diseños de diferenciales de deslizamiento limitado para limitar la diferencia de potencia enviada a cada una de las ruedas.
Vectorización de par
La vectorización de par es una tecnología empleada en los diferenciales de automóviles que tiene la capacidad de variar el par a cada semieje con un sistema electrónico; o en vehículos ferroviarios que logran lo mismo utilizando ruedas con motor individual. En el caso de los automóviles, se utiliza para aumentar la estabilidad o la capacidad de giro del vehículo.
Otros usos
Diferencial planetario utilizado para impulsar un registrador de gráficos alrededor de 1961. Los motores impulsan el sol y los engranajes anulares, mientras que la salida se toma 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 en 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 primer uso conocido de un engranaje diferencial se encuentra en el mecanismo de Antikythera, alrededor del año 80 a. C., que utilizaba 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 los hemisferios y mostraba gráficamente la fase de la Luna en un momento particular en el tiempo. [1] En 1720 se fabricó un reloj de ecuaciones que utilizaba un diferencial para la suma. En el siglo XX, se utilizaban grandes conjuntos de muchos diferenciales como computadoras analógicas , calculando, por ejemplo, la dirección en la que se debía apuntar un arma. [11]
Dispositivos tipo brújula
Los carros chinos que apuntaban hacia el sur también pueden haber sido aplicaciones muy tempranas de diferenciales. El carro tenía un indicador que apuntaba constantemente hacia el sur, sin importar cómo giraba el carro mientras viajaba. Por tanto, podría utilizarse como una especie 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 hacía girar la aguja de manera apropiada. Sin embargo, el mecanismo no era lo suficientemente preciso y, después de algunos kilómetros de viaje, el dial podría estar apuntando en la dirección equivocada.
Relojes
El primer uso verificado de un diferencial fue en un reloj fabricado por Joseph Williamson en 1720. Empleaba un diferencial para sumar la ecuación del tiempo al tiempo medio local , según lo determinado por el mecanismo del reloj, para producir el tiempo solar , que habría sido el Lo mismo 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 con frecuencia era necesario reajustar un reloj ordinario, 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 son incorrectos, por lo que muchos relojes de sol llevan instrucciones sobre cómo usar sus lecturas para obtener la hora del reloj.
Computadoras analogicas
Los analizadores diferenciales , un tipo de computadora analógica mecánica , se utilizaron aproximadamente desde 1900 hasta 1950. Estos dispositivos utilizaban trenes de engranajes diferenciales para realizar sumas y restas.
La computadora de control de fuego del arma Mk.1 de la Marina de los EE. UU. utilizó alrededor de 160 diferenciales del tipo de engranaje cónico.
Suspensión del vehículo
Los rovers de Marte Spirit y Opportunity (ambos lanzados en 2004) utilizaron engranajes diferenciales en sus suspensiones de bogie basculante para mantener el cuerpo del rover equilibrado mientras las ruedas de izquierda y derecha se movían hacia arriba y hacia abajo sobre terreno irregular. [12] Los rovers Curiosity y Perseverance utilizaron una barra diferencial en lugar de engranajes para realizar la misma función. [13]
^ ab Wright, MT (2007). "Reconsideración del mecanismo de Antikythera" (PDF) . Reseñas científicas interdisciplinarias . 32 (1): 27–43. Código Bib : 2007ISRv...32...27W. doi :10.1179/030801807X163670. S2CID 54663891 . Consultado el 8 de junio de 2023 .
^ Needham, José (1986). Ciencia y civilización en China . Taipei: Libros de las cuevas. 4 Parte 2: 296–306.{{cite journal}}: Falta o está vacío |title=( ayuda ) [ falta título ]
^ "Historia del Automóvil". General Motors Canadá . Consultado el 9 de enero de 2011 .
^ Preston, JM (1987). Aveling y Porter, Ltd. Rochester . Libros del norte de Kent. págs. 13-14. ISBN0-948305-03-7.
^ "Coche de 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 tecnologías automotrices: el legado de Vernon Gleasman". TheAutoChannel.com . Consultado el 27 de agosto de 2023 .
^ abc "¿Qué es un diferencial de engranaje recto?". SergeantClutchDiscountTransmission.com . Consultado el 27 de marzo de 2023 .
^ Bonnick, Allan (2001). Sistemas automotrices controlados por computadora. pag. 22.ISBN _9780750650892.
^ Bonnick, Allan (2008). Ciencias y Matemáticas de la Automoción. pag. 123.ISBN _9780750685221.
^ Chocholek, SE (1988). "El desarrollo de un diferencial para la mejora del control de tracción".
^ Mecanismos básicos en computadoras de control de incendios, Parte 1, Ejes, engranajes, levas y diferenciales, publicado como 'Computadoras de control de incendios antiguas de la Marina de EE. UU.' (Película de capacitación). Nosotros marina de guerra. 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 Rover". Marte.NASA.gov . Consultado el 18 de enero de 2023 .
^ "Sistema de movilidad Curiosity, etiquetado". Planetario.org . Consultado el 18 de enero de 2023 .
enlaces externos
Wikimedia Commons tiene medios relacionados con los diferenciales de automóviles .
Un vídeo de un modelo 3D de un diferencial abierto.
Popular Science, mayo de 1946, How Your Car Turns Corners, un artículo extenso con numerosas ilustraciones sobre cómo funcionan los diferenciales.
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