ディファレンシャル（機械装置）

ディファレンシャルは、 3 つのドライブ シャフトを備えたギア トレインで、 1 つのシャフトの回転速度が他のシャフトの速度の平均になるという特性があります。ディファレンシャルは、自動車でよく使用され、コーナリング中にドライブ アクスルの両端の車輪が異なる速度で回転できるようにします。その他の用途には、時計やアナログ コンピューターがあります。ディファレンシャルは、入力シャフトと出力シャフト間のギア比 (「アクスル比」または「差動比」と呼ばれる) を提供することもできます。たとえば、自動車のディファレンシャルの多くは、ピニオンの歯数をリングギアよりも少なくすることで、ギアの減速を提供します。

ディファレンシャルの設計または使用におけるマイルストーンは次のとおりです。

• 紀元前100年～紀元前70年:アンティキティラ島の機械はこの時期に作られたとされています。1902年に海綿採集者によって難破船で発見され、現代の研究では差動歯車を使用して太陽と月の黄道位置の角度、つまり月の満ち欠けを決定していたことが示唆されています。^{[1] [説明が必要]}
• 西暦 250年頃：中国の技術者、馬鈞が、羅針盤の前身となる、南を指す最初の戦車を発明した。その動作の仕組みは不明だが、20世紀の技術者の中には、差動ギアを使用しているという説を唱えた者もいる。^{[2] [説明が必要]}
• 1810年:ドイツのルドルフ・アッカーマンが馬車用の四輪操舵システムを発明。後世の著述家はこれを誤って差動装置と報告している。
• 1823年：アザ・アーノルドが綿糸紡績用の差動駆動装置を開発。この設計はすぐにアメリカ全土とイギリスに広まった。^[3]
• 1827年：フランスの国立工芸学校の時計職人オネシフォール・ペクール（1792-1852）が蒸気ワゴンに使用するための近代的な自動車用差動装置の特許を取得。^[4]
• 1874年:ケント州ロチェスターのエイヴリング・アンド・ポーター社が、特許取得済みの差動装置を後車軸に装備したクレーン機関車をカタログに掲載した。^[5]
• 1876年:コベントリーのジェームズ・スターリーが自転車用のチェーン駆動差動装置を発明。この発明は後にカール・ベンツによって自動車にも採用された。
• 1897年: オーストラリアの蒸気自動車を製造中に、デビッド・シアラーが自動車に初めて差動装置を使用しました。^[6]
• 1958年：ヴァーノン・グリースマンがトルセン リミテッドスリップデファレンシャルの特許を取得。^[7]

コーナリング中、車両の外側の車輪は内側の車輪よりも遠くまで移動する必要があります (半径が大きいため)。これは、車輪が接続されていない場合は簡単に対応できますが、駆動輪の場合は両方の車輪がエンジンに接続されているため (通常はトランスミッション経由)、対応が難しくなります。一部の車両 (ゴーカートや路面電車など) は差動装置なしで車軸を使用し、コーナリング時に車輪のスリップに依存しています。ただし、コーナリング能力を向上させるために、多くの車両は差動装置を使用して 2 つの車輪が異なる速度で回転できるようにします。

ディファレンシャルの目的は、必要に応じて車輪が異なる速度で回転できるようにしながら、エンジンの動力を車輪に伝達することです。リング・ピニオン・ディファレンシャルの動作原理の図を以下に示します。

後輪駆動車では、リングギアがトランスミッションに接続されたピニオンギアによって駆動される、比較的単純な差動装置の設計が使用されています。この設計の機能は、回転軸を 90 度変更し (プロペラシャフトからハーフシャフトまで)、ギア比を減らすことです。

右の概略図に示されているリング・ピニオン差動装置の構成要素は、1.出力軸（車軸）2.駆動ギア3.出力ギア4.遊星ギア5.キャリア6.入力ギア7.入力軸（ドライブシャフト） です。

エピサイクリック差動装置は、全輪駆動車の前車軸と後車軸に一定の割合のトルクを送るためにエピサイクリック歯車装置を使用する。^{[引用が必要]}エピサイクリック設計の利点は、幅が比較的コンパクトである点である（入力軸の軸に沿って見た場合）。^{[引用が必要]}

スパーギア差動装置は、両端に同じ大きさのスパーギアを備え、それぞれが出力軸に接続されている。^[8]入力トルク（エンジンまたはトランスミッションからのもの）は、回転するキャリアを介して差動装置に加えられる。^[8]ピニオンペアはキャリア内に配置され、キャリアによって支持されるピン上で自由に回転する。ピニオンペアは、2つのスパーギアの間の長さの部分でのみ噛み合い、反対方向に回転する。特定のピニオンの残りの長さは、その車軸上のより近い方のスパーギアと噛み合う。各ピニオンは、関連するスパーギアを（他のピニオンを介して）他のスパーギアに接続している。キャリアが（入力トルクによって）回転すると、入力（キャリア）の速度と出力軸の速度の関係は、他のタイプのオープン差動装置と同じになる。

スパーギアデファレンシャルの用途としては、オールズモビル・トロネードというアメリカの前輪駆動車が挙げられる。^{[8] [さらなる説明が必要]}

ロック式差動装置は、基本的に、共通のシャフト上にあるかのように、車軸上の両方の車輪を一緒に「ロック」することにより、標準のオープン差動装置の主な制限を克服する機能を備えています。これにより、どちらかの車輪に個別に利用できる牽引力 (またはその欠如) に関係なく、両方の車輪が同時に回転します。この機能が必要ない場合は、差動装置を「ロック解除」して、通常のオープン差動装置として機能させることができます。

ロック式ディファレンシャルは、主にオフロード車で、グリップが低い路面やグリップが変動する路面を克服するために使用されます。

通常の（「オープン」）デフの望ましくない副作用は、トラクション（グリップ）の弱い車輪にほとんどのパワーが送られることです。^{[9] [10]}片方の車輪のグリップが低下した状況（例えば、コーナリングフォースや片方の車輪の下のグリップの低い路面など）では、オープンデフはグリップの弱いタイヤでホイールスピンを引き起こす可能性があり、グリップの強いタイヤは車両を前進させるのにほとんどパワーを受け取りません。^[11]

この状況を回避するために、各車輪に送られる動力の差を制限するために、 さまざまな設計のリミテッド・スリップ・ディファレンシャルが使用されます。

トルク ベクタリングは、電子システムを使用して各ハーフ シャフトへのトルクを変化させる機能を持つ自動車の差動装置、または個別にモーターを取り付けた車輪を使用して同じ機能を実現する鉄道車両で使用される技術です。自動車の場合、車両の安定性やコーナリング能力を高めるために使用されます。

差動装置の自動車以外での用途としては、アナログ 演算の実行が挙げられる。差動装置の3本のシャフトのうち2本は、2つの数値を表す（2つの数値に比例する）角度で回転するように作られており、3本目のシャフトの回転角度は、2つの入力数値の合計または差を表す。差動装置の最も古い使用例は、紀元前80年頃のアンティキティラ島の機械で、太陽と月の位置ポインターの差から月を表す小さな球を制御するために差動装置が使用されていた。球は半球状に黒と白で塗装され、特定の時点での月の位相をグラフィカルに表示していた。 ^[1]加算に差動装置を使用する方程式時計は1720年に作られた。20世紀には、多数の差動装置の大規模なアセンブリがアナログコンピューターとして使用され、たとえば銃を向けるべき方向を計算した。^[12]

中国の南を指す戦車も、差動装置のごく初期の応用例だった可能性がある。戦車には、移動中に戦車がどう方向を変えても常に南を指す指針が付いていた。そのため、一種のコンパスとして使用できた。差動機構が戦車の 2 つの車輪の回転速度の差に反応し、指針を適切に回転させると広く考えられている。しかし、この機構は精度が十分でなく、数マイル移動した後には、指針が間違った方向を指していることもあった。

差動装置の使用が最も古く確認されているのは、1720 年にジョセフ ウィリアムソンが製作した時計です。この時計は差動装置を使用して、時計の機構によって決定された地方平均時間に均時差を加算し、太陽時を算出しました。これは日時計の読みと同じでした。18 世紀には、日時計は「正しい」時間を示すと考えられていたため、均時差の季節変動のため、通常の時計は完璧に作動していても頻繁に再調整する必要がありました。ウィリアムソンやその他の均時差時計は、再調整を必要とせずに日時計の時間を示しました。今日では、時計は「正確」で日時計は通常不正確であると考えられているため、多くの日時計には、その読みを使用して時計の時間を取得する方法に関する説明書が付いています。

機械式アナログコンピュータの一種である 微分解析装置は、およそ 1900 年から 1950 年まで使用されていました。これらの装置は、差動歯車列を使用して加算と減算を実行しました。

火星探査車スピリットとオポチュニティ（どちらも2004年に打ち上げられた）は、ロッカーボギーサスペンションに差動ギアを使用して、不均一な地形で左右の車輪が上下に動くときに探査車本体のバランスを保った。^[13]キュリオシティとパーサヴィアランス探査車は、同じ機能を果たすためにギアの代わりに差動バーを使用した。^[14]

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• ポピュラーサイエンス誌、1946年5月号、車がコーナーを曲がる仕組み、差動装置の仕組みを多数のイラストで解説した長文記事

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