เกียร์ดิฟเฟอเรนเชียลแบ่งกำลังในโค้งอย่างไร?

เมื่อรถเข้าโค้ง ล้อด้านนอกจะเคลื่อนที่เป็นระยะทางที่มากกว่าเสมอ และเกียร์ดิฟเฟอเรนเชียลคือชิ้นส่วนที่จัดการความต่างของความเร็วนี้อย่างเงียบ ๆ
เมื่อรถเข้าโค้ง ล้อด้านนอกจะเคลื่อนที่เป็นระยะทางที่มากกว่าเสมอ และเกียร์ดิฟเฟอเรนเชียลคือชิ้นส่วนที่จัดการความต่างของความเร็วนี้อย่างเงียบ ๆ

แชร์หน้านี้

เกียร์ดิฟเฟอเรนเชียลคือกลไกเฟืองที่รับแรงบิดจากเครื่องยนต์แบ่งส่งไปยังล้อทั้งสองข้างบนเพลาเดียวกัน และอนุญาตให้ล้อหมุนด้วยความเร็วที่แตกต่างกันได้ เมื่อรถเข้าโค้ง ล้อด้านนอกต้องหมุนเร็วกว่าล้อด้านใน เพราะเดินทางได้ระยะทางที่ยาวกว่า เกียร์ดิฟเฟอเรนเชียลทำหน้าที่จัดการความต่างของความเร็วนี้ด้วยเชิงกล โดยยึดตามกฎพื้นฐานข้อหนึ่ง คือ ความเร็วของเฟืองมงกุฎเท่ากับค่าเฉลี่ยของความเร็วล้อทั้งสองพอดี

เรื่องเด่น

  • เกียร์ดิฟเฟอเรนเชียลกระจายกำลังจากเพลาส่งกำลังของเกียร์ไปยังคู่ล้อซ้าย-ขวา และอนุญาตให้มีความต่างของความเร็วได้
  • สมการความเร็วชัดเจน: ความเร็วเพลาเท่ากับค่าเฉลี่ยของความเร็วล้อทั้งสอง
  • ในดิฟเฟอเรนเชียลแบบเปิด แรงบิดจะถูกส่งไปยังล้อทั้งสองข้างเท่ากันเสมอ โดยล้อที่มีแรงยึดเกาะถนนอ่อนแอที่สุดจะเป็นตัวกำหนดขีดจำกัด
  • ระบบเฟืองทำงานด้วยการสบเฟืองสามจุด และให้ประสิทธิภาพโดยทั่วไปที่94-97%
  • สิทธิบัตรสำหรับการใช้งานในยานยนต์จดทะเบียนโดย Onésiphore Pecqueur ในปี1827

ทำไมเกียร์ดิฟเฟอเรนเชียลจึงต้องมีอยู่?

คุณสามารถแก้ปัญหานี้ด้วยการทดลองเรขาคณิตอย่างง่าย ลองนึกภาพว่าคุณพารถเข้าโค้งแคบ: ล้อด้านนอกวิ่งบนวงกลมที่ใหญ่กว่า ส่วนล้อด้านในวิ่งบนวงกลมที่เล็กกว่า ล้อด้านนอกที่ต้องเดินทางระยะทางไกลกว่าในเวลาเท่ากัน จึงต้องหมุนเร็วกว่าล้อด้านใน ความต่างนี้ใหญ่กว่าที่คุณคาด: ยิ่งรัศมีโค้งเล็กลง ความต่างของความเร็วยิ่งเพิ่มขึ้น

ลองนึกภาพว่าล้อทั้งสองถูกยึดติดกันอย่างแข็งบนเพลาเดียวกัน ในกรณีนั้น ล้อด้านในจะพยายามหมุนเร็วกว่าระยะทางของตัวเอง จึงลื่นไถลด้วยแรงเค้น ส่วนล้อด้านนอกหมุนไม่ทันความเร็วที่ต้องการ จึงถูกลากถูไถ สถานการณ์นี้ไม่เพียงทำให้ยางสึกจากด้านล่างเท่านั้น: แต่ยังสร้างความเค้นสะสมอย่างต่อเนื่องในเพลาและชิ้นส่วนส่งกำลังทั้งหมด รถคาร์ตติ้งและรถรางบางประเภททำงานได้โดยไม่มีดิฟเฟอเรนเชียล แต่เหล่านี้เป็นการออกแบบที่ยอมรับการลื่นไถลของล้อในโค้งอย่างมีเจตนา บนรถยนต์ ทางแก้นี้ไม่ยั่งยืน

ด้วยเหตุนี้ เกียร์ดิฟเฟอเรนเชียลจึงมีภารกิจแยกกันสี่อย่าง: เปลี่ยนทิศทางของกำลังประมาณ 90 องศาด้วยคู่เฟืองพินิออนและริงเกียร์ แบ่งกำลังระหว่างล้อทั้งสองของเพลาเดียวกัน เพิ่มแรงบิดด้วยการลดขนาดเฟือง และอนุญาตให้ล้อทั้งสองหมุนด้วยความเร็วต่างกันเทียบกันได้ ทั้งสี่หน้าที่ถูกแก้ไว้ภายในตัวเรือนขนาดกะทัดรัดเดียวกัน

เกียร์ดิฟเฟอเรนเชียลแบ่งกำลังในโค้งอย่างไร?

Virajda iç ve dış tekerlek farklı hızlarda döner; diferansiyel, gücü iki aks arasında akıllıca bölüştüren sessiz bir arabulucudur.

คำตอบซ่อนอยู่ในโครงสร้างภายใน การหมุนจากเกียร์จะถูกส่งจากเฟืองพินิออนไปยังริงเกียร์ ริงเกียร์รองรับกรงดิฟเฟอเรนเชียล (carrier) เฟืองดาวเคราะห์เล็กๆ (เฟืองแมงมุม) ที่อยู่ภายในกรงเชื่อมเฟืองซันเกียร์ (side gear) ทั้งสองเข้าด้วยกัน และเฟืองซันเกียร์ก็ส่งแรงบิดไปยังเพลา นั่นคือเส้นทางการเดินทางของกำลังเป็นดังนี้: พินิออน ไปยังริงเกียร์ ริงเกียร์ ไปยังกรง กรง ไปยังเฟืองดาวเคราะห์ เฟืองดาวเคราะห์ ไปยังเพลาทั้งสอง

อะไรเปลี่ยนแปลงระหว่างการวิ่งตรงและการเข้าโค้ง?

บนทางตรง ล้อทั้งสองเผชิญแรงต้านเท่ากัน และเฟืองดาวเคราะห์จะไม่หมุนรอบแกนของตัวเอง ระบบทำงานเหมือนมวลเดียวที่ถูกบล็อกไว้ ล้อทั้งสองข้างหมุนด้วยความเร็วของ ring gear เท่ากัน เมื่อเข้าโค้งเลี้ยวซ้าย สปูร์เกียร์ดวงอาทิตย์ด้านซ้ายซึ่งอยู่ด้านในจะแสดงแรงต้านมากขึ้น ความต่างของแรงต้านทำให้เฟืองดาวเคราะห์หมุนรอบแกนของตัวเอง และการหมุนเพิ่มเติมนี้เองที่ทำให้ล้อด้านในช้าลงในขณะที่ล้อด้านนอกเร็วขึ้นในอัตราเท่ากัน กลไกนี้เปลี่ยนความต่างของแรงต้านให้เป็นความต่างของความเร็วได้ทันที

สรุปทางคณิตศาสตร์ของทั้งหมดนี้อยู่ในบรรทัดเดียว: ความเร็วรอบของเพลาเท่ากับค่าเฉลี่ยของความเร็วของล้อทั้งสองข้าง ล้อด้านนอกเร่งขึ้นเท่าไร ล้อด้านในก็ช้าลงเท่านั้น ยอดรวมยังคงเดิม ความสมมาตรนี้คือตรรกะพื้นฐานที่ทำให้เข้าใจดิฟเฟอเรนเชียลได้ง่าย

ด้านประสิทธิภาพก็เป็นที่น่าพอใจ: การสัมผัสของคู่เฟืองแต่ละคู่สร้างการสูญเสียประมาณ %1-2 ระบบที่ส่งกำลังจากเกียร์ไปยังเพลาครึ่งผ่านจุดสัมผัสสามจุด โดยทั่วไปทำงานด้วยประสิทธิภาพ %94-97

จุดอ่อนของดิฟเฟอเรนเชียลแบบเปิด: ทำไมล้อจึงหมุนอย่างเปล่าประโยชน์?

คุณสมบัติที่สำคัญที่สุดของดิฟเฟอเรนเชียลแบบเปิดคือเป็นโครงสร้างที่ส่งแรงบิดไปยังล้อทั้งสองข้างอย่างเท่ากัน สิ่งนี้ดูไม่เป็นอันตรายในโค้ง แต่ก่อให้เกิดผลร้ายแรงเมื่อสูญเสียแรงฉุดลาก: แรงบิดที่ส่งไปยังล้อทั้งสองข้างจะลดลงจนถึงระดับที่ล้อซึ่งมีแรงฉุดลากน้อยที่สุดยังยึดเกาะได้ กล่าวโดยย่อ ล้อที่อ่อนแอที่สุดจะจำกัดเพลาทั้งหมด

ลองทำให้เห็นภาพชัดขึ้น สมมติว่าล้อหนึ่งของรถคุณอยู่บนพื้นเยื่อน้ำมันหรือโคลน ส่วนอีกล้ออยู่บนยางมะตอยแห้ง ล้อบนน้ำแข็งยึดเกาะไม่ได้ ดิฟเฟอเรนเชียลแบบเปิดจะส่งกำลังไปยังล้อที่หมุนอย่างเปล่าประโยชน์นี้ และล้อบนพื้นแห้งที่สามารถสร้างแรงฉุดลากได้จริงจะได้รับกำลังเกือบเป็นศูนย์ รถไม่สามารถขับเคลื่อนออกจากจุดที่ติดได้ ตรงข้ามกับความเข้าใจผิดที่แพร่หลาย กำลังจะถ่ายโอนไปยังล้ออีกข้างไม่ได้ แต่กลับสะสมอยู่ที่ล้อที่ลื่นไถลแทน

ฟิสิกส์แบบเดียวกันนี้ก็ทำงานตอนออกจากโค้งเช่นกัน เมื่อออกจากโค้งด้วยการเร่งความเร็วที่แรง น้ำหนักรถจะเอียงไปด้านนอก สิ่งนี้ลดลับที่กระทำต่อล้อด้านในและด้วยเหตุนั้นจึงลดแรงฉุดลากของล้อด้วย ดิฟเฟอเรนเชียลแบบเปิดเริ่มหมุนล้อด้านในที่แบกน้ำหนักน้อยลงนี้ ทำให้แรงบิดถูกตัดและคุณประสบกับการสูญเสียกำลัง ผลที่เกิดขึ้นระหว่างการขับขี่เป็นสิ่งที่คุ้นเคย: เมื่อคุณเร่งในโค้ง แรงเร่งข้างหน้าจะถูกตัดทันที แรงบิดไหลออกไปอย่างเปล่าประโยชน์

ดิฟเฟอเรนเชียลแบบลิมิเต็ดสลิป (LSD) สร้างความแตกต่างอะไร?

ดิฟเฟอเรนเชียลแบบลิมิเต็ดสลิปคือทางแก้ที่สมเหตุสมผลระหว่างดิฟเฟอเรนเชียลแบบเปิดกับแบบล็อก: ในสภาวะปกติจะทำงานเหมือนแบบเปิด แต่เมื่อความต่างของความเร็วระหว่างล้อเกินเกณฑ์ที่กำหนด ก็จะเริ่มทำงานเหมือนแบบล็อก การเปลี่ยนผ่านนี้โดยทั่วไปทำได้ด้วยชุดคลัตช์หรือระบบวิสคัสคัปปลิ้ง (viscous coupling)

หากย้อนกลับไปที่ตัวอย่างน้ำแข็งข้างต้น: เมื่อล้อหนึ่งเริ่มลื่น LSD จะป้องกันไม่ให้ล้อที่ลื่นหมุนเกินไปอย่างอิสระ และทำให้แรงบิดถูกส่งไปยังล้อบนพื้นแห้งด้วย ในตัวอย่างโค้ง ผลลัพธ์ก็คือ: เมื่อล้อด้านในพยายามหมุนอย่างเปล่าประโยชน์ ระบบคลัตช์จะออกแรงเสียดทานไปยังทั้งสองด้านของเพลาและเปลี่ยนเส้นทางแรงบิดไปยังล้อด้านนอก ไม่เกิดการสูญเสียแรงบิด แรงเร่งตอนออกจากโค้งจึงยังคงอยู่ การยึดเกาะที่คาดเดาได้นี้คือเหตุผลหลักที่ LSD ได้รับความนิยมในรถสมรรถนะสูง

LSD ยังมีประวัติศาสตร์ที่เป็นที่รู้จักอีกด้วย: เกียร์ต่างทางเดียวแบบจำกัดการไหลประเภท Torsen ถูกจดสิทธิบัตรโดย Vernon Gleasman ในปี 1958 นอกเหนือจากราคาซื้อแล้ว ยังต้องคำนึงด้วยว่าเพลาที่ติดตั้ง LSD อาจต้องการการบำรุงรักษามากกว่าเกียร์ต่างแบบเปิด จานเฟรชหรือองค์ประกอบความหนืดจะสึกหรอตามกาลเวลา

เกียร์ต่างแบบล็อกและการกระจายแรงบิด: แนวทางแก้ไขที่ปลายทาง

เกียร์ต่างแบบล็อกเป็นแนวทางที่รุนแรงกว่า: มันหมุนล้อทั้งสองข้างพร้อมกันเหมือนเพลาเดียว โดยไม่คำนึงถึงสถานะการยึดเกาะ มันป้องกันอย่างสมบูรณ์ไม่ให้ล้อข้างหนึ่งหมุนฟรีและทำให้คุณติดค้างในโคลน หิมะ หรือพื้นที่หิน ด้วยเหตุนี้จึงพบได้บ่อยที่สุดในยานพาหนะ off-road ข้อเสียก็ชัดเจน: การบังคับให้ล้อทั้งสองข้างหมุนด้วยความเร็วเท่ากันในโค้งถนนลาดยาง สร้างความเครียดที่ไม่พึงประสงค์ต่อยางและระบบส่งกำลัง

ที่ปลายด้านอิเล็กทรอนิกส์ของสเปกตรัมคือการกระจายแรงบิด (torque vectoring) เทคโนโลยีนี้สามารถส่งแรงบิดในปริมาณที่แปรผันไปยังเพลาครึ่งแต่ละข้าง และคำนวณการกระจายแรงบิดด้านใน-ด้านนอกภายในโค้งได้ทันที ผลลัพธ์คือเสถียรภาพที่สูงขึ้นและความสามารถในการเข้าโค้งที่ดีขึ้น คุณสามารถมองว่ามันเป็นชั้นซอฟต์แวร์ที่เพิ่มเข้าไปในข้อต่อกลไกของเกียร์ต่าง

การเปรียบเทียบประเภทเกียร์ต่าง

ประเภทหลักการทำงานคุณสมบัติเด่น
แบบเปิดแบ่งแรงบิดเท่า ๆ กันให้ล้อทั้งสองข้าง อนุญาตให้มีความแตกต่างของความเร็วได้อย่างอิสระเพียงพอสำหรับการขับขี่ปกติ เมื่อเสียการยึดเกาะ จะส่งกำลังไปยังล้อที่หมุนฟรี
แบบจำกัดการไหล (LSD)ปกติทำงานเหมือนแบบเปิด แต่เมื่อความแตกต่างของความเร็วเกินขีดจำกัดจะทำงานเหมือนแบบล็อกส่งแรงบิดไปยังล้อที่มีการยึดเกาะผ่านคลัตช์หรือชั้นความหนืด
แบบล็อกหมุนล้อทั้งสองข้างพร้อมกันเหมือนเพลาเดียวเป็นทางแก้การยึดเกาะที่ทรงพลังที่สุดในสภาพ off-road
การกระจายแรงบิดส่งแรงบิดแปรผันไปยังเพลาครึ่งแต่ละข้างด้วยการควบคุมแบบอิเล็กทรอนิกส์เพิ่มเสถียรภาพและความสามารถในการเข้าโค้ง

ประวัติศาสตร์ที่เก่าแก่อย่างน่าประหลาดใจ

รากฐานของแนวคิดนี้ย้อนกลับไปไกลกว่ายุครถยนต์มาก มีความเชื่อกันว่ากลไก Antikythera (ราวปี 100 ก่อนคริสตกาล) อาจมีเฟรชเกียร์ต่าง แต่เรื่องนี้ยังไม่เป็นที่แน่ชัด การใช้เกียร์ต่างที่มีหลักฐานครั้งแรกเป็นของนาฬิกาของ Joseph Williamson ในปี 1720 ส่วนการเข้าสู่เวทียานยนต์เป็นสิ่งประดิษฐ์ในปี 1827 Onésiphore Pecqueur จดสิทธิบัตรเกียร์ต่างสำหรับรถม้าชนิดหนึ่งที่ใช้ไอน้ำ และได้กำหนดทางแก้พื้นฐานที่อยู่ในล้อของเราในวันนี้ แหล่งข้อมูลบางแห่งเสนอว่ากลไกนี้ปรากฏขึ้นในประเทศจีนด้วย ในคริสต์ศตวรรษที่ 3 แต่การกำหนดช่วงเวลานี้ยังไม่ได้รับการยืนยันอย่างแน่ชัด

วิธีปฏิบัติในการทำความเข้าใจเกียร์ต่างในรถของคุณ

หนึ่งในคำถามที่ผู้ขับขี่ถามบ่อยที่สุดคือจะแยกแยะได้อย่างไรว่ารถของตนมีเกียร์ต่างแบบเปิดหรือ LSD มีสัญญาณที่ใช้ได้จริง: เมื่อคุณออกตัวด้วยคันเร่งเต็มที่บนพื้นแห้ง ล้อหมุนเพียงข้างเดียวหรือสองข้างหมุนพร้อมกัน? การที่ล้อข้างเดียวหมุนฟรีเป็นลายเซ็นคลาสสิกของเกียร์ต่างแบบเปิด ในรถที่ติดตั้ง LSD คุณจะรู้สึกถึงการยึดเกาะที่คาดเดาได้มากขึ้นเมื่อออกจากโค้งและบนพื้นเปียก การสึกหรอของยางก็กระจายตัวได้สมดุลยิ่งขึ้นเมื่อขับขี่แบบก้าวร้าว

การใช้งานในชีวิตประจำวันว่าจำเป็นต้องมี LSD หรือไม่นั้นเป็นข้อถกเถียงที่แบ่งกลุ่มในหมู่คนขับรถ ฝ่ายหนึ่งบอกว่าช่วยให้การยึดเกาะถนนและความปลอดภัยในการขับแบบสปอร์ต ขณะที่อีกฝ่ายโต้แย้งว่าในการใช้งานทั่วไป การที่ดิฟเฟอเรนเชียลแบบเปิดปล่อยให้ล้อหลังที่ลื่นไถลสูญเสียเสถียรภาพด้านท้ายรถได้ตามใจนั้น ในบางเงื่อนไขก็ยังป้องกันได้ยากกว่า สรุปอย่างตรงไปตรงมาในเชิงวิศวกรรมคือ: ดิฟเฟอเรนเชียลแบบเปิดให้ความสบาย มีประสิทธิภาพ และถูก ส่วน LSD มีประโยชน์ในสภาพพื้นผิวที่คุณไม่รู้ว่าแรงบิดจะไปทางไหน สภาพพื้นผิวและสไตล์การขับขี่ของคุณจะเป็นตัวกำหนดว่าแบบไหนเหมาะกับคุณ

สรุป: สติปัญญาอย่างง่ายของช่างธรรมดา

สิ่งที่ทำให้ดิฟเฟอเรนเชียลสง่างามนักคือการที่มันแก้ข้อบังคับสองประการได้พร้อมกันโดยไม่ต้องมีหน่วยควบคุมที่ซับซ้อน: การแบ่งแรงบิดและการอนุญาตให้มีความต่างของความเร็ว กฎความเร็วเฉลี่ยจัดการทางโค้งอย่างเงียบ ๆ ในฐานะผลลัพธ์ตามธรรมชาติของความต่างในแรงต้าน จุดอ่อนในเรื่องการสูญเสียการยึดเกาะของแบบเปิด คือปัญหาที่แบบ LSD และแบบล็อกมีอยู่เพื่อแก้ไขโดยตรง เบื้องหลังการยึดเกาะอย่างราบรื่นที่ตามหลังคุณในทางโค้ง คือสติปัญญาทางวิศวกรรมที่มีอายุเกือบสองศตวรรษ ซึ่งสรุปได้ด้วยคณิตศาสตร์เพียงบรรทัดเดียว

แหล่งอ้างอิง