差動装置

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差動装置（さどうそうち）は機械的機構の一種で、二つの部分の動きの差を検出、あるいは動力に差をつけ割り振る装置。歯車を使った差動歯車やねじを使ったものなどがある。

[編集] 差動歯車

自動車のデファレンシャルギア（カットモデル）

デファレンシャルギア (differential gear) あるいは略してデフギア、デフなどとも言う。後述するLSDと比較する場合はオープンデフともいう。自動車などの車輪のついた乗り物に使われる動力伝達装置であり、差動装置の中で最も身近に使われているものである。

車がカーブを曲がる時、内輪差（内側と外側の車輪の速度差）が生じるが、それを吸収しつつ動力源から同じトルクを振り分けて伝えることができる。つまり、1つのエンジン出力を2つの異なった回転速度に振り分けて伝えることができる。差動歯車は一般的に3輪以上の自動車で利用され、駆動する左右の車輪の軸の中央付近に設けられる。動力の無い車輪や、対となる駆動輪が存在しない2輪車では必要ない。

[編集] 差動歯車の装備

一般的な自動車では駆動輪（すなわち前輪駆動車の場合は前輪、後輪駆動車の場合は後輪）に一組の差動歯車を持つが、四輪駆動車の場合はさらに前輪と後輪の回転差を吸収するため、もう一つの差動歯車（センターデフ）を持つことがある。この場合、駆動輪である前輪・後輪に1組ずつとセンターデフとで計3組となる。センターデフが正常に機能しない場合、変速機を損傷することもある。二輪駆動と四輪駆動を運転者が任意に切り替えることが可能な一部の車種については、センターデフを備えていないものもあり、車体の取扱説明書に舗装路での四輪駆動による走行は避ける旨を注意書きされている場合が多い。これは、未舗装路に比べて舗装路ではタイヤと路面との摩擦力が大きく、前輪と後輪の回転差によっていずれかのタイヤが路面と強制的なスリップを起こす際、生み出されるトルクが駆動系に大きな負担となってしまうからである。特に駐車場などでハンドルを大きく切って小回りすると、車体全体が不快な振動に見舞われることがある。

[編集] 原理

差動歯車はまず外側のリングギアに動力が伝えられる。リングギアには左右の車軸につながるサイドギアとその両者をつなぐピニオンギア（小歯車）を収めた枠が直結しており、それごと回転する。リングギアを固定した状態でサイドギアの一方を回転させたとするとピニオンギアを介してもう一方は逆方向に回転する。

一方、車輪の片側を固定しリングギアを回した場合、もう一方の車輪が2倍の速度で回転する。実際の車輪の回転はこの中間においても無段階に変動し、両輪の回転数の平均値がリングギアの回転数と等しくなる。結果として車両は、直線であれ曲線であれ車輪がスリップすることなく滑らかに走行することができる。そのときのリングギアの回転から求められる速度は車両の左右の中心線の値となる。

一方で問題点もある。車輪の片方が溝に落ちた、あるいは氷に乗り上げたなど、無負荷状態あるいは無負荷に近い状態になった場合、その車輪に対する拘束力（トルク）が著しく小さくなるために空回りしてしまい、もう一方の地面に接地している車輪を回転させることができなくなってしまう。このため、実際の走行では脱出が困難となる。

動力はリングギア（青）に伝えられ枠も回転する。枠に付いているピニオンギア（緑）は回転しないが、枠の回転により両側のサイドギア（赤、黄）を同じ速度で回す。

左側のサイドのギアに負荷がかかるか固定されてしまうとピニオンギアはそれにつれ回転しながら右側のサイドギアを余分に回転させる。

[編集] リミテッド・スリップ・デフ

オープンデフが抱える「無負荷状態の車輪側を空転させてしまう欠点」の解決のために、リミテッド・スリップ・デファレンシャル (LSD: limited slip differential) が考案された。その名の通り差動に制限を持たせたもので、側面ギアの回転を抑制し無負荷状態の車輪の空転を防ぐものである。これにより、悪路や滑りやすい路面状況でも車輪へ確実に駆動力を伝えられるようになり、走行の安定性が向上した。

なお、差動制限の方式により、様々なタイプのLSDが存在するが、大きく分けて「トルク感応式」「回転感応式」「アクティブ制御式」の3種類に分類できる。

[編集] トルク感応

機械式LSD(多板クラッチ式LSD): 内蔵される多板クラッチを利用。大きな差動制限力を発揮できる一方、定期的なメンテナンスを必要とする。下記のトルセン式・ヘリカル式やビスカスカップリングを使用した物が実用化される以前は純正採用されていたが、現在では少数の例外を除き採用される事はほとんど無い。
セレクティブLSD: 機械式LSDのプリロードを可変式としたもの。調整の際には、車両のデフキャリアから片側のシャフトを抜き取り、専用工具を挿入して行う。ピニオンシャフト内のセレクターにセットされているコーンスプリングを中央から外側に向かって押しつけ、プリロードを可変させる。差動制限力やレスポンスを比較的気軽に調整可能となる。
クワイフLSD: ヘリカルギア（螺旋状の歯車）を用いた遊星歯車機構であり、プラネタリーギアの保持を軸ではなく、デフケース内の半円筒形の保持部にプラネタリーギアを挿入して行っている事が特徴である。差動制限力の発生には、プラネタリーギアがサンギアとの噛み合い反力でデフケースに押し付けられる時に発生する抵抗力のほか、サンギアのスラスト力を利用する。後述するトルセンLSD・タイプBとヘリカルLSDとは、左右プラネタリーギア同士の噛み合いをデフ中央部で行っていることが異なる。
トルセンLSD: 複数のギアを組み合わせ、それらのギアの歯面抵抗、あるいはデフケースとの摩擦力を利用する。機械式には及ばないが、強い差動制限力を発揮する上、メンテナンスもほとんど不要。差動制限力の強いタイプA、差動制限力の設定可能幅が広いタイプB、センターデフ用の不等トルク分配式のタイプCのほか、オープンデフの内部にタイプCを内蔵したツインデフ（フロントデフとセンターデフの機能を有する）が存在する。なお、タイプBはクワイフLSDの亜流ともいえ、プラネタリーギア同士の噛み合いをデフの両端部で行っていることが特徴である。
ヘリカルLSD: トルセン・タイプBと同じくクワイフLSDの亜流といえるが、プラネタリーギアを左右不等形状とし、プラネタリーギアがデフケースに不均等に押しつけられることを利用して、差動制限力の向上を狙ったものである。
ボールテックLSD: ジグザグ状の溝がついたドラムの上をボールが流れる事によりドラムを動かし効果を得る。
シュアトラックLSD: カムを用いてその摩擦力を利用する。トルセンLSD同様、機械式には及ばないが、強い差動制限力を発揮する上、機械式のようなメンテナンスのシビアさもない。
スーパーLSD: オープンデフのサイドギア底部をコーンクラッチ形状とし、ベベルギアの噛み合いによるスラスト力を差動制限力発生に利用する。構造上差動制限力は高く設定できないが、オープンデフ＋αの低コストで生産できることが特徴となっている。

[編集] 回転感応式

ビスカスLSD: ビスカスカップリングを使い、封入されたシリコンオイルのせん断抵抗を利用する。
オリフィスLSD: カムで駆動されるオイルポンプをデフに内蔵し、封入されたシリコンオイルの流れがオリフィスを通過する際の抵抗力を利用する。差動制限力が高い上にその設定幅も広いが、非常に高価であるため採用は競技用途に限定されている。

[編集] アクティブ制御式

新しい技術として電子制御された差動装置がある。コンピュータが各種センサーからの情報をもとに動的に差動制限効果の制御を行うものである。ラリーなどレース用の車で用いられることが多く、世界ラリー選手権での使用は一般化している。（世界ラリー選手権では2006年よりセンターデフを除き禁止された）

物理的な機構としては、油圧で摩擦板の圧力を調整することで効きを調整する油圧式、電磁クラッチを利用する方式の2種類がある。

市販車では三菱・ランサーエボリューションのACDやスバル・インプレッサのDCCD、フェラーリ・F430等に搭載されている。

[編集] ブレーキLSD

近年、日産が電子制御安全システムのVDC（ビーグルダイナミクスコントロール）に組み込んでいる技術の一つで、トラクションコントロール技術の派生系である。

従来のLSDとは全く異なり、差動制限にデフケース内のデバイスを用いるのではなく、ブレーキを用いる事が特徴で、システムが車輪の空転を検知すると空転輪にのみブレーキを掛ける事で差動制限装置と同様の効果を擬似的に再現する。

[編集] ヨーコントロールデフ

デフ内に変速機を内蔵し、変速機により増速または減速を作り出し、左右の出力軸に電子制御クラッチで伝達する事により、アクティブに回転差を生じさせると共に、左右輪のトルク変化により、ヨーモーメントを強制的に発生させることで、旋回性能を向上させた。またSH-AWDは後輪デフの入力側にも変速機による増速機能を持っており、左右輪とで3セットの変速機を持っている（AYC、ATTSは２セット）

市販車では、三菱・ランサーエボリューションのAYCや、ホンダ・プレリュードのATTS、ホンダ・レジェンドのSH-AWD等がある。

[編集] ワンウェイホイール

差動歯車ではないが、同じ効果を狙ったものとしてミニ四駆のグレードアップパーツ「ワンウェイホイール」（四輪駆動車のフリーハブに近い構造）がある。機構としては自転車に使われているものと全く同じで、これはホイール内部にピニオンギアを入れ、コーナリング時に外側のタイヤを空転させることで、コーナリング抵抗をなくすものである。また、電動ラジコンカーなどでは、フロントデフにワンウェイ効果のあるものを使用し、さらに前輪を小径化することで後輪が空転した場合のみ前輪が駆動するようにセッティングする場合がある。

[編集] ネジによる差動装置

差動装置には、ネジを使用したものもある。二つのわずかにピッチの異なるネジを同時に回転させることにより、その差だけ動かすことができる。これの利用例がマイクロメータで非常に小さな動きから寸法の高精度な測定が可能である。図の場合Aが0.8mm、Bが1mmのピッチとすると一回転でその差の0.2mmの動きをする。

[編集] 歴史

差動歯車の発明については諸説があるが、古代から現代に至る知られている例をいくつか挙げておく。

BC2634年中国の伝説の黄帝により指南車が用いられていた。
BC一世紀ごろギリシャのアンティキティラ島の沖の海底で発見されたアンティキティラ島の機械は、平面的な差動機構を含んでいた。
1810年ドイツのルドルフ・アッカーマンにより馬車用の4輪操舵システムを発明したが、これが後の作家により差動装置と誤って伝えられた。
1827年フランスの機械技術者で時計職人だったオネシフォール・ペックールが蒸気自動車を製作しこのとき差動歯車を開発しこれで特許を取得した。現代の自動車で使用されている技術である。
1832年イギリスのリチャード・ロバーツにより蒸気機関車用の負荷補償用歯車として特許登録される。
1876年イギリスのジェームズ・スターレーは、自転車（3、4輪）用のチェーン駆動の差動装置を発明。後に、カール・ベンツによる自動車に用いられる。(スターレーは英国ローバー自動車につながる人物。)
1897年デービッド・シーラーによりオーストリアの最初の蒸気自動車で差動装置が使用された。

[編集] 差動装置のない四輪車

電気自動車などで見られる車輪単位で動力が伝えられるような形式の場合、差動歯車は必要ない。

ゴーカートなどの簡易な自動車でも省略され動力が直接左右の車輪に伝えられる。そういった車が、まっすぐ走る場合は特に問題はないが、曲がろうとするとどちらかの車輪がスリップし、制御が難しくタイヤや路面を傷めることにもなる。

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最終更新 2009年11月29日 (日) 11:06 （日時は個人設定で未設定ならばUTC）。
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