التفاضلية (جهاز ميكانيكي)

الترس التفاضلي هو مجموعة تروس ذات ثلاثة أعمدة دفع تتميز بخاصية أن السرعة الدورانية لعمود واحد هي متوسط سرعات الأعمدة الأخرى. الاستخدام الشائع للترس التفاضلي هو في المركبات الآلية ، للسماح للعجلات في كل طرف من محور الدفع بالدوران بسرعات مختلفة أثناء الانعطاف. تشمل الاستخدامات الأخرى الساعات وأجهزة الكمبيوتر التناظرية . يمكن للترس التفاضلي أيضًا توفير نسبة تروس بين أعمدة الإدخال والإخراج (تسمى "نسبة المحور" أو "نسبة الترس التفاضلي"). على سبيل المثال، توفر العديد من الترس التفاضلي في المركبات الآلية تخفيضًا للتروس من خلال وجود عدد أقل من الأسنان على الترس الصغير مقارنة بترس الحلقة .

تاريخ

تتضمن المعالم البارزة في تصميم أو استخدام التفاضلات ما يلي:

100 قبل الميلاد - 70 قبل الميلاد: تم تأريخ آلية أنتيكيثيرا إلى هذه الفترة. تم اكتشافها في عام 1902 على حطام سفينة من قبل غواصين إسفنجيين ، وتشير الأبحاث الحديثة إلى أنها استخدمت ترسًا تفاضليًا لتحديد الزاوية بين مواضع مسار الشمس والقمر، وبالتالي طور القمر. ^[1]^{[ بحاجة لتوضيح ]}
حوالي عام 250 ميلادي : ابتكر المهندس الصيني ما جون أول عربة تشير إلى الجنوب ، وهي سابقة للبوصلة. آلية عملها غير واضحة، على الرغم من أن بعض مهندسي القرن العشرين طرحوا الحجة القائلة بأنها استخدمت ترسًا تفاضليًا. ^[2]^{[ بحاجة لتوضيح ]}
1810: اخترع الألماني رودولف أكرمان نظام توجيه رباعي العجلات للعربات، والذي أخطأ بعض الكتاب اللاحقين في وصفه بأنه نظام تفاضلي.
1823: طورت أزا أرنولد نظام نقل الحركة التفاضلي لاستخدامه في غزل القطن . وانتشر التصميم بسرعة في جميع أنحاء الولايات المتحدة والمملكة المتحدة. ^[3]
1827: حصل صانع الساعات أونيسيفور بيكوير (1792-1852) من المعهد الوطني للفنون والحرف في فرنسا على براءة اختراع لتفاضل السيارات الحديث لاستخدامه في عربة بخارية . ^[4]
1874: أدرج أفلينج وبورتر من روتشستر، كنت، قاطرة رافعة في كتالوجهما مزودة بترس تفاضلي حاصل على براءة اختراع على المحور الخلفي. ^[5]
1876: اخترع جيمس ستارلي من كوفنتري نظام تفاضلي ذي سلسلة لاستخدامه في الدراجات الهوائية ؛ واستخدم كارل بنز هذا الاختراع فيما بعد في السيارات .
1897: أثناء بناء سيارته البخارية الأسترالية ، استخدم ديفيد شيرير الترس التفاضلي لأول مرة في مركبة آلية. ^[6]
1958: حصل فيرنون جليسمان على براءة اختراع لنظام التفاضل المحدود الانزلاق من إنتاج شركة تورسن . ^[7]

الاستخدام في المركبات ذات العجلات

غاية

فيلم 1937 عن كيفية عمل التفاضلات

أثناء الانعطاف، يجب أن تسير العجلات الخارجية للمركبة لمسافة أبعد من العجلات الداخلية (نظرًا لأنها تقع على نصف قطر أكبر). يمكن استيعاب ذلك بسهولة عندما لا تكون العجلات متصلة ، ومع ذلك يصبح الأمر أكثر صعوبة بالنسبة لعجلات القيادة ، نظرًا لأن كلتا العجلتين متصلتان بالمحرك (عادةً عبر ناقل حركة). تستخدم بعض المركبات (على سبيل المثال سيارات الكارت والترام ) محاور بدون ترس تفاضلي، وبالتالي تعتمد على انزلاق العجلات عند الانعطاف. ومع ذلك، لتحسين قدرات الانعطاف، تستخدم العديد من المركبات ترسًا تفاضليًا، مما يسمح للعجلتين بالدوران بسرعات مختلفة.

الغرض من الترس التفاضلي هو نقل طاقة المحرك إلى العجلات مع السماح للعجلات بالدوران بسرعات مختلفة عند الحاجة. يظهر أدناه رسم توضيحي لمبدأ تشغيل الترس التفاضلي ذي الحلقة والترس.

التشغيل التفاضلي أثناء القيادة في خط مستقيم:
يتم تطبيق عزم الإدخال على الترس الحلقي (الأرجواني)، والذي يدور الناقل (الأرجواني) بنفس السرعة. عندما تكون المقاومة من كلتا العجلتين هي نفسها، لا يدور الترس الكوكبي (الأخضر) حول محوره (على الرغم من أن الترس ودبوسه يدوران بسبب ارتباطهما بالناقل). يتسبب هذا في دوران التروس الشمسية (الحمراء والصفراء) بنفس السرعة، مما يؤدي إلى دوران عجلات السيارة أيضًا بنفس السرعة.
التشغيل التفاضلي أثناء الانعطاف إلى اليسار:
يتم تطبيق عزم الإدخال على الترس الحلقي (الأرجواني)، والذي يدور الناقل (الأرجواني) بنفس السرعة. يوفر الترس الشمسي الأيسر (الأحمر) مقاومة أكبر من الترس الشمسي الأيمن (الأصفر)، مما يتسبب في دوران الترس الكوكبي (الأخضر) عكس اتجاه عقارب الساعة. ينتج عن هذا دوران أبطأ في الترس الشمسي الأيسر ودوران أسرع في الترس الشمسي الأيمن، مما يؤدي إلى دوران العجلة اليمنى للسيارة بشكل أسرع (وبالتالي السفر لمسافة أبعد) من العجلة اليسرى.

تصميم الحلقة والترس

يتم استخدام تصميم بسيط نسبيًا للترس التفاضلي في المركبات ذات الدفع الخلفي ، حيث يتم تشغيل ترس حلقي بواسطة ترس مسنن متصل بناقل الحركة. تتمثل وظائف هذا التصميم في تغيير محور الدوران بمقدار 90 درجة (من عمود الدفع إلى أعمدة نصف الدوران) وتوفير انخفاض في نسبة التروس .

مكونات الترس التفاضلي الحلقي الموضحة في الرسم التخطيطي على اليمين هي: 1. أعمدة الإخراج ( المحاور ) 2. ترس القيادة 3. تروس الإخراج 4. التروس الكوكبية 5. الناقل 6. ترس الإدخال 7. عمود الإدخال ( عمود القيادة )

تصميم ملحمي

يستخدم الترس التفاضلي الدائري تروسًا دائرية لإرسال نسب معينة من عزم الدوران إلى المحور الأمامي والمحور الخلفي في مركبة الدفع الرباعي . ^{[ بحاجة لمصدر ]} تتمثل إحدى مزايا التصميم الدائري في أنه ذو عرض مضغوط نسبيًا (عند النظر إليه على طول محور عمود الإدخال الخاص به). ^{[ بحاجة لمصدر ]}

تصميم الترس المحفز

يحتوي الترس التفاضلي المحفز على تروس تفاضلية متساوية الحجم عند كل طرف، وكل منها متصل بعمود خرج. ^[8] يتم تطبيق عزم الإدخال (أي من المحرك أو ناقل الحركة) على الترس التفاضلي عبر الناقل الدوار. ^[8] توجد أزواج التروس المسننة داخل الناقل وتدور بحرية على دبابيس يدعمها الناقل. تتشابك أزواج التروس المسننة فقط لجزء من طولها بين التروس المحفزة، وتدور في اتجاهين متعاكسين. يتشابك الطول المتبقي من الترس المحفز المحدد مع الترس المحفز الأقرب على محوره. يربط كل ترس ترس المحفز المرتبط بالترس المحفز الآخر (عبر الترس المحفز الآخر). مع دوران الناقل (بواسطة عزم الإدخال)، تكون العلاقة بين سرعات الإدخال (أي الناقل) وسرعة أعمدة الإخراج هي نفسها مثل الأنواع الأخرى من التفاضلات المفتوحة.

تتضمن استخدامات الترس التفاضلي المحفز سيارة Oldsmobile Toronado الأمريكية ذات الدفع الأمامي. ^[8]^{[ يحتاج إلى مزيد من التوضيح ]}

قفل التفاضلات

تتمتع الترس التفاضلي القابل للقفل بالقدرة على التغلب على القيد الرئيسي للترس التفاضلي المفتوح القياسي من خلال "قفل" العجلتين معًا على المحور كما لو كانا على عمود مشترك. وهذا يجبر العجلتين على الدوران في انسجام، بغض النظر عن قوة الجر (أو عدم وجودها) المتاحة لأي عجلة على حدة. عندما لا تكون هذه الوظيفة مطلوبة، يمكن "فتح" الترس التفاضلي ليعمل كترس تفاضلي مفتوح عادي.

تُستخدم التروس التفاضلية القابلة للقفل في الغالب في المركبات المخصصة للطرق الوعرة، للتغلب على الأسطح ذات القبضة المنخفضة والمتغيرة.

تفاضلات الانزلاق المحدودة

من الآثار الجانبية غير المرغوب فيها للترس التفاضلي العادي ("المفتوح") أنه يمكن أن يرسل معظم الطاقة إلى العجلة ذات الجر الأقل (القبضة). ^[9]^[10] في حالة انخفاض قبضة إحدى العجلات (على سبيل المثال بسبب قوى الانعطاف أو سطح قبضة منخفض أسفل إحدى العجلات)، يمكن للترس التفاضلي المفتوح أن يتسبب في انزلاق العجلات في الإطار ذي القبضة الأقل، بينما يتلقى الإطار ذو القبضة الأكبر القليل جدًا من الطاقة لدفع السيارة إلى الأمام. ^[11]

ولمنع حدوث هذا الموقف، يتم استخدام تصميمات مختلفة من الفروق المحدودة الانزلاق للحد من الفرق في الطاقة المرسلة إلى كل عجلة.

توجيه عزم الدوران

يعد توجيه عزم الدوران تقنية مستخدمة في أنظمة التفاضل بالسيارات والتي تتمتع بالقدرة على تغيير عزم الدوران لكل نصف عمود باستخدام نظام إلكتروني؛ أو في مركبات السكك الحديدية التي تحقق نفس الغرض باستخدام عجلات تعمل بمحرك فردي. وفي حالة السيارات، يتم استخدامها لزيادة استقرار المركبة أو قدرتها على الانعطاف.

استخدامات أخرى

ترس تفاضلي كوكبي يستخدم لتشغيل مسجل الخرائط حوالي عام 1961. تعمل المحركات على تشغيل الشمس والتروس الحلقية، بينما يتم أخذ الناتج من حامل الترس الكوكبي. وهذا يعطي 3 سرعات مختلفة حسب المحركات التي تعمل.

تتضمن الاستخدامات غير الآلية للتفاضلات إجراء العمليات الحسابية التناظرية . يتم تصنيع اثنين من أعمدة التفاضل الثلاثة للدوران عبر زوايا تمثل (متناسبة مع) رقمين، وتمثل زاوية دوران العمود الثالث مجموع أو فرق رقمي الإدخال. أقدم استخدام معروف للترس التفاضلي هو في آلية أنتيكيثيرا، حوالي 80 قبل الميلاد، والتي استخدمت ترسًا تفاضليًا للتحكم في كرة صغيرة تمثل القمر من الفرق بين مؤشري موضع الشمس والقمر. تم طلاء الكرة باللونين الأسود والأبيض في نصفي الكرة الأرضية، وأظهرت بيانياً طور القمر في نقطة زمنية معينة. ^[1] تم صنع ساعة معادلة تستخدم تفاضلًا للجمع في عام 1720. في القرن العشرين، تم استخدام مجموعات كبيرة من العديد من التفاضلات كأجهزة كمبيوتر تناظرية ، لحساب، على سبيل المثال، الاتجاه الذي يجب أن يوجه إليه السلاح. ^[12]

أجهزة تشبه البوصلة

ربما كانت العربات الصينية التي تشير إلى الجنوب أيضًا تطبيقات مبكرة جدًا للتفاضلات. كانت العربة تحتوي على مؤشر يشير باستمرار إلى الجنوب، بغض النظر عن كيفية دوران العربة أثناء سفرها. وبالتالي يمكن استخدامها كنوع من البوصلة . يُعتقد على نطاق واسع أن آلية التفاضل تستجيب لأي فرق بين سرعات دوران عجلتي العربة، وتدير المؤشر بشكل مناسب. ومع ذلك، لم تكن الآلية دقيقة بما فيه الكفاية، وبعد بضعة أميال من السفر، يمكن أن يشير القرص في الاتجاه الخاطئ.

الساعات

كان أقدم استخدام مؤكد للتفاضل في ساعة صنعها جوزيف ويليامسون في عام 1720. وقد استخدمت تفاضلًا لإضافة معادلة الوقت إلى متوسط الوقت المحلي ، كما تحدده آلية الساعة، لإنتاج الوقت الشمسي ، والذي كان ليكون هو نفسه قراءة المزولة الشمسية . خلال القرن الثامن عشر، كان يُعتقد أن المزولة الشمسية تُظهر الوقت "الصحيح"، لذلك كان يتعين إعادة ضبط الساعة العادية كثيرًا، حتى لو كانت تعمل بشكل مثالي، بسبب الاختلافات الموسمية في معادلة الوقت. أظهرت ساعات ويليامسون والساعات المعادلة الأخرى وقت المزولة الشمسية دون الحاجة إلى إعادة الضبط. في الوقت الحاضر، نعتبر الساعات "صحيحة" والمزولات الشمسية غير صحيحة عادةً، لذلك تحمل العديد من المزولات الشمسية تعليمات حول كيفية استخدام قراءاتها للحصول على وقت الساعة.

أجهزة الكمبيوتر التناظرية

تم استخدام أجهزة التحليل التفاضلي ، وهو نوع من أجهزة الكمبيوتر التناظرية الميكانيكية، في الفترة من عام 1900 إلى عام 1950 تقريبًا. استخدمت هذه الأجهزة سلاسل التروس التفاضلية لإجراء عمليات الجمع والطرح.

تعليق المركبة

استخدمت مركبتا المريخ سبيريت وأوبورتيونيتي (اللتان أُطلقتا في عام 2004) تروسًا تفاضلية في نظام التعليق الخاص بهما للحفاظ على توازن جسم المركبة أثناء تحرك العجلات على اليسار واليمين لأعلى ولأسفل على تضاريس غير مستوية. [13] استخدمت مركبتا كيوريوسيتي وبرسفيرانس قضيبًا تفاضليًا^بدلاً من التروس لأداء نفس الوظيفة. ^[14]

انظر أيضا

مراجع

^ ab Wright, MT (2007). "إعادة النظر في آلية Antikythera" (PDF) . مراجعات العلوم المتعددة التخصصات . 32 (1): 27–43. Bibcode :2007ISRv...32...27W. doi :10.1179/030801807X163670. S2CID 54663891. تم الاسترجاع في 8 يونيو 2023 .
^ نيدهام، جوزيف (1986). العلم والحضارة في الصين . الجزء الثاني. تايبيه: كتب الكهوف: 296-306. {{cite journal}}: مفقود أو فارغ |title=( مساعدة ) ^{[ العنوان مفقود ]}
^ Mitman, Carl W. (1947). "Arnold, Aza". في Johnson, Allen (محرر). قاموس السيرة الذاتية الأمريكية. المجلد 1. نيويورك: Charles Scribner's Sons ، المجلس الأمريكي للجمعيات العلمية . ص 361-362.
^ "تاريخ السيارات". جنرال موتورز كندا . تم استرجاعه في 9 يناير 2011 .
^ بريستون، جيه إم (1987). أفلينج وبورتر، المحدودة. روتشستر . كتب نورث كنت. ص 13-14. رقم ISBN 0-948305-03-7.
^ "سيارة بخارية لديفيد شيرر في مانوم عام 1897 - أول سيارة أسترالية - ذات ترس تفاضلي هو الأول من نوعه في العالم". AdelaideAZ.com . تم الاسترجاع في 27 فبراير 2023 .
^ "مخترع تقنيات السيارات – إرث فيرنون جليسمان". TheAutoChannel.com . تم الاسترجاع في 27 أغسطس 2023 .
^ abc "ما هو الترس التفاضلي المحفز؟". SergeantClutchDiscountTransmission.com . تم الاسترجاع في 27 مارس 2023 .
^ Bonnick, Allan (2001). Automotive Computer Controlled Systems. Elsevier Science & Technology Books. ص. 22. ISBN 9780750650892.
^ Bonnick, Allan (2008). Automotive Science and Mathematics. Butterworth-Heinemann. ص. 123. ISBN 9780750685221.
^ Chocholek, SE (1988). "تطوير نظام تفاضلي لتحسين التحكم في الجر".
^ الآليات الأساسية في أجهزة التحكم في الحرائق، الجزء الأول، أعمدة التروس الحدبات والتفاضلات، نُشر تحت عنوان "أجهزة التحكم في الحرائق القديمة التابعة للبحرية الأمريكية" (فيلم تدريبي). البحرية الأمريكية. 1953. حدث الحدث بعد 37 ثانية. MN-6783a. مؤرشف من الأصل في 18 نوفمبر 2021. تم الاسترجاع في 20 سبتمبر 2021 .
^ "عجلات المركبة الفضائية". Mars.NASA.gov . تم الاسترجاع في 18 يناير 2023 .
^ "نظام التنقل كيوريوسيتي، مُصنف". Planetary.org . تم استرجاعه في 18 يناير 2023 .

قراءة إضافية

مجلة العلوم الشعبية، مايو 1946، كيف تنعطف سيارتك عند المنعطفات، مقالة كبيرة تحتوي على العديد من الرسوم التوضيحية حول كيفية عمل التفاضلات

روابط خارجية

فيديو لنموذج ثلاثي الأبعاد للتفاضل المفتوح

Original text

Rate this translation

Your feedback will be used to help improve Google Translate

[Wright-Reconsidered-1] Wright, MT (2007). "إعادة النظر في آلية Antikythera" (PDF) . مراجعات العلوم المتعددة التخصصات . 32 (1): 27–43. Bibcode :2007ISRv...32...27W. doi :10.1179/030801807X163670. S2CID 54663891. تم الاسترجاع في 8 يونيو 2023 .

[2] نيدهام، جوزيف (1986). العلم والحضارة في الصين . الجزء الثاني. تايبيه: كتب الكهوف: 296-306. {{cite journal}}: مفقود أو فارغ |title=( مساعدة ) ^{[ العنوان مفقود ]}

[3] Mitman, Carl W. (1947). "Arnold, Aza". في Johnson, Allen (محرر). قاموس السيرة الذاتية الأمريكية. المجلد 1. نيويورك: Charles Scribner's Sons ، المجلس الأمريكي للجمعيات العلمية . ص 361-362.

[4] "تاريخ السيارات". جنرال موتورز كندا . تم استرجاعه في 9 يناير 2011 .

[5] بريستون، جيه إم (1987). أفلينج وبورتر، المحدودة. روتشستر . كتب نورث كنت. ص 13-14. رقم ISBN 0-948305-03-7.

[6] "سيارة بخارية لديفيد شيرر في مانوم عام 1897 - أول سيارة أسترالية - ذات ترس تفاضلي هو الأول من نوعه في العالم". AdelaideAZ.com . تم الاسترجاع في 27 فبراير 2023 .

[7] "مخترع تقنيات السيارات – إرث فيرنون جليسمان". TheAutoChannel.com . تم الاسترجاع في 27 أغسطس 2023 .

[Sergeant_Clutch-8] "ما هو الترس التفاضلي المحفز؟". SergeantClutchDiscountTransmission.com . تم الاسترجاع في 27 مارس 2023 .

[9] Bonnick, Allan (2001). Automotive Computer Controlled Systems. Elsevier Science & Technology Books. ص. 22. ISBN 9780750650892.

[10] Bonnick, Allan (2008). Automotive Science and Mathematics. Butterworth-Heinemann. ص. 123. ISBN 9780750685221.

[11] Chocholek, SE (1988). "تطوير نظام تفاضلي لتحسين التحكم في الجر".

[12] الآليات الأساسية في أجهزة التحكم في الحرائق، الجزء الأول، أعمدة التروس الحدبات والتفاضلات، نُشر تحت عنوان "أجهزة التحكم في الحرائق القديمة التابعة للبحرية الأمريكية" (فيلم تدريبي). البحرية الأمريكية. 1953. حدث الحدث بعد 37 ثانية. MN-6783a. مؤرشف من الأصل في 18 نوفمبر 2021. تم الاسترجاع في 20 سبتمبر 2021 .

[13] "عجلات المركبة الفضائية". Mars.NASA.gov . تم الاسترجاع في 18 يناير 2023 .

[14] "نظام التنقل كيوريوسيتي، مُصنف". Planetary.org . تم استرجاعه في 18 يناير 2023 .

ف ت هـ مجموعة نقل الحركة
جزء من سلسلة السيارات
محرك السيارة	محرك ديزل كهربائي خلية الوقود هجين ( هجين مع إمكانية التوصيل بالكهرباء ) محرك الاحتراق الداخلي محرك البنزين محرك بخاري
الانتقال	ناقل حركة أوتوماتيكي محرك السلسلة الدفع المباشر القابض مفصل ذو سرعة ثابتة ناقل حركة متغير باستمرار اقتران التفاضلي علبة تروس ذات تحويل مباشر عمود القيادة ناقل حركة ثنائي القابض عجلة القيادة ناقل حركة يدوي أوتوماتيكي القابض الكهربي تروس دائرية اقتران السوائل محرك الاحتكاك ناقل الحركة جيبو محرك هوتشكيس تفاضل محدود الانزلاق قفل التفاضل ناقل الحركة اليدوي يدوي مزلاج وقوف السيارات ركن السيارة عن طريق الأسلاك علبة تروس الاختيار المسبق ناقل حركة نصف أوتوماتيكي التحول عن طريق الأسلاك محول عزم الدوران ناقل الحركة صندوق النقل وحدة التحكم في ناقل الحركة مفصل عالمي
العجلات والاطارات	مجموعة محور العجلة عجلة حافة عجلة من السبائك المعدنية غطاء المحور إطار على الطرق الوعرة سباق سلس شعاعي مطر إطار مسطح الثلج إضافي بدون أنابيب
هجين	محرك كهربائي نظام نقل الحركة للمركبة الهجينة مولد كهربائي المولد
منفذ فئة