Diferencial (dispositivo mecánico)

Unidad diferencial para un coche de tracción trasera, construido por ZF circa 2004

Engranajes diferenciales (en amarillo) en un lector de cinta perforada, construido por Tally circa 1962

Un diferencial es un tren de engranajes con tres ejes motrices que tiene la propiedad de que la velocidad de rotación de un eje es la media de las velocidades de los demás. Un uso común de los diferenciales es en los vehículos de motor, para permitir que las ruedas en cada extremo de un eje motriz giren a diferentes velocidades en las 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 diferencia"). Por ejemplo, muchos diferenciales en los vehículos de motor proporcionan una reducción de los engranajes al tener menos dientes en el piñón que en la corona.

Historia

Los hitos en el diseño o uso de diferenciales incluyen:

• 100 BCE–70 BCE: El mecanismo de Antikythera ha estado fechado a este período. Fue descubierto en 1902 en un naufragio por buceadores de esponja, y la investigación moderna sugiere que utilizó un equipo diferencial para determinar el ángulo entre las posiciones eclípticas del Sol y la Luna, y así la fase de la Luna.
• c. 250 CE: Ingeniero chino Ma Jun crea el primer carro bien documentado de punta sur, un precursor de la brújula. Su mecanismo de acción no está claro, aunque algunos ingenieros del siglo XX presentaron el argumento de que utilizó un equipo diferencial.
• 1720: Joseph Williamson utiliza un equipo diferencial en un reloj.
• 1810: Rudolph Ackermann de Alemania inventa un sistema de dirección de cuatro ruedas para los carruajes, que algunos escritores posteriores denuncian erróneamente como diferencial.
• 1827: Moderno diferencial automotriz patentado por el relojero Onésiphore Pecqueur (1792-1852) del Conservatoire National des Arts et Métiers en Francia para su uso en un vagón de vapor.
• 1832: Richard Roberts de Inglaterra patenta "gear of compensation", un diferencial para locomotoras de carretera.
• 1874: Aveling y Porter de Rochester, Kent enumeran una locomotora de grúa en su catálogo equipado con su equipo diferencial de patentes en el eje trasero.
• 1876: James Starley de Coventry inventa diferencial en cadena para uso en bicicletas; invención más tarde utilizada en automóviles por Karl Benz.
• 1897: Mientras construía su coche de vapor australiano, David Shearer hizo el primer uso de un diferencial en un vehículo de motor.
• 1958: Vernon Gleasman patenta el diferencial Torsen limitado-slip, un diseño que utiliza exclusivamente los engranajes (sin clavijas, a diferencia de muchos otros tipos de diferenciales de clip limitado).

Uso en vehículos de ruedas

Propósito

Durante las curvas, las ruedas exteriores de un vehículo deben viajar más que las ruedas interiores (ya que están en un radio más grande). Esto se acomoda 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, los karts y los 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 usan 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.

Diseño de piñón y anillo

Ilustración de un diferencial de anillo y columna para un vehículo de tracción trasera

Esquema de un diferencial de anillo y pinión

En los vehículos con tracción trasera se utiliza un diseño de diferencial relativamente simple, en el que una corona dentada es accionada por un 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 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 transmisión)

Diseño epicíclico

Diagrama de un sistema de engranaje epicíclico

Un diferencial epicicloidal utiliza engranajes epicíclicos para enviar ciertas proporciones de par al eje delantero y al eje trasero en un vehículo con tracción total. Una ventaja del diseño epicicloidal es que tiene un ancho relativamente compacto (visto a lo largo del eje de su eje de entrada).

Diseño de engranaje recto

Spur-gear differential

Un diferencial de engranajes rectos tiene engranajes rectos del mismo tamaño en cada extremo, cada uno de los cuales está conectado a un eje de salida. El par de entrada (es decir, del motor o la transmisión) se aplica al diferencial a través del soporte giratorio. Los pares de piñones están ubicados dentro del portador y giran libremente en los 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 entrada (es decir, el portador) y la de los ejes de salida es la misma que en otros tipos de diferenciales abiertos.

Los usos de los diferenciales de engranajes rectos incluyen el automóvil estadounidense de tracción delantera Oldsmobile Toronado.

Bloqueo de diferenciales

Diferenciales de bloqueo tienen la capacidad de superar la principal limitación de un diferencial abierto estándar esencialmente "bloqueando" ambas ruedas en 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 cualquiera de las ruedas individualmente. Cuando no se requiere esta función, el diferencial se puede "desbloquear" funcionar como un diferencial abierto normal.

Los diferenciales de bloqueo se utilizan principalmente en vehículos todoterreno para superar superficies de agarre variable y de baja adherencia.

Diferenciales de deslizamiento limitado

Un efecto secundario no deseado de un diferencial regular ("abierto") es que puede enviar la mayor parte de la potencia a la rueda con menor tracción (agarre). En una situación en la 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 causar que las ruedas patinen en el neumático con menos agarre, mientras que el neumático con más agarre recibe muy poca potencia para propulsarse. el vehículo hacia adelante.

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 sobre raíles que consiguen lo mismo utilizando ruedas motrices individualmente. 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 conducir un grabador de gráficos alrededor de 1961. Los motores conducen el sol y los engranajes anulares, mientras que la salida se toma del portador de engranajes del planeta. Esto da 3 velocidades diferentes dependiendo de qué motores están encendidos.

Los usos no automotrices de diferenciales incluyen realizar 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 primer uso conocido de un engranaje diferencial se encuentra en el mecanismo de Antikythera, alrededor del año 80 a. C., que usaba 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 determinado. En 1720 se fabricó un reloj de ecuación que usaba un diferencial para la suma. En el siglo XX, grandes conjuntos de muchos diferenciales se usaban como computadoras analógicas, calculando, por ejemplo, la dirección en la que se debe apuntar un arma.

Dispositivos tipo brújula

Los carros chinos que apuntan al sur también pueden haber sido aplicaciones muy tempranas de diferenciales. El carro tenía un puntero que apuntaba constantemente hacia el sur, sin importar cómo girara el carro mientras viajaba. Por lo tanto, podría usarse como un tipo de brújula. Se cree ampliamente que un mecanismo diferencial respondió a cualquier diferencia entre las velocidades de rotación de las dos ruedas del carro y giró el puntero de manera apropiada. Sin embargo, el mecanismo no era lo suficientemente preciso y, después de unas pocas millas 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 determinaba el mecanismo del reloj, para producir el tiempo solar, que sería han sido 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" tiempo, por lo que un reloj ordinario tendría que reajustarse con frecuencia, aunque funcionara 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 suelen ser incorrectos, por lo que muchos relojes de sol llevan instrucciones sobre cómo utilizar sus lecturas para obtener la hora del reloj.

Ordenadores analógicos

Los analizadores diferenciales, un tipo de computadora analógica mecánica, se usaron aproximadamente entre 1900 y 1950. Estos dispositivos usaban trenes de engranajes diferenciales para realizar sumas y restas.

La computadora de control de fuego de armas Mk.1 de la Marina de los EE. UU. usó 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 balancín-bogie para mantener el cuerpo del rover equilibrado mientras las ruedas de la izquierda y la derecha se mueven hacia arriba y hacia abajo sobre terreno irregular. Los rovers Curiosity y Perseverance utilizaron una barra diferencial en lugar de engranajes para realizar la misma función.