トルセンAタイプ差動装置の仕組み

トルセンAタイプ差動装置の仕組み

構造

車を走らせる上で欠かせない部品の一つに、左右の車輪に力を伝える差動装置があります。トルセンＡ型と呼ばれるこの装置は、複雑な構造をしていますが、大きく分けて三つの部品からできています。一つ目は、左右それぞれの車輪につながる「うずまき歯車」です。この歯車は、エンジンの力を車輪に伝えるための重要な役割を担っています。二つ目は、「受け歯車」と呼ばれる複数の歯車です。これらは、うずまき歯車とかみ合い、回転運動を伝えます。三つ目は、「受け歯車軸」です。これは、受け歯車を支え、滑らかに回転させるための軸です。

トルセンＡ型差動装置の特徴は、これらの部品が巧みに組み合わさり、左右の車輪への力の配分を自動で調整する点にあります。通常走行時は、左右の車輪に均等に力が伝わりますが、片方の車輪が滑りやすい路面、例えば凍結路面やぬかるみにはまった時などは、その車輪だけが空回りしてしまい、車が前に進まなくなってしまいます。トルセンＡ型差動装置は、このような状況でも、滑っていない車輪に適切に力を配分することで、車を安定して走らせることができます。これは、うずまき歯車と受け歯車の間で発生する摩擦力と、受け歯車軸の働きによって実現されます。

例えば、片方の車輪が氷の上で滑り始めたとします。すると、その車輪につながるうずまき歯車は速く回転しようとしますが、受け歯車との間の摩擦力により、回転が抑えられます。同時に、受け歯車軸が受け歯車を支えることで、滑っていない車輪につながるうずまき歯車に、より大きな力が伝わるようになります。このように、トルセンＡ型差動装置は、複雑な構造と部品の連携により、様々な路面状況で車の安定した走行を支えているのです。

仕組み

トルセンＡ型差動装置は、巧みな歯車の組み合わせで左右の車輪の回転の差を調整し、車の安定した動きを実現する仕組みです。

中心となるのは、ウォーム歯車とエレメント歯車と呼ばれる、特殊な形状の歯車です。これらの歯車は、単に回転を伝えるだけでなく、互いに噛み合うことで摩擦力を発生させます。この摩擦力が、左右の車輪の回転差を小さく抑える働きをします。

たとえば、片方の車輪が滑りやすい路面、例えば氷の上に乗ってしまったとしましょう。普通の差動装置では、滑っている方の車輪ばかりが空回りし、もう片方のしっかり路面を捉えている車輪には力が伝わらず、車は動けなくなってしまいます。しかし、トルセンＡ型差動装置では、ウォーム歯車とエレメント歯車の摩擦力が、滑っている車輪の空回りを抑え、しっかり路面を捉えている車輪に駆動力を伝えます。これにより、滑りやすい路面でも車がスムーズに進むことができるのです。

さらに、これらの歯車には「ねじれ角」と呼ばれる、歯車の傾斜角度が設定されています。このねじれ角も、左右の車輪の回転差を調整する上で重要な役割を果たします。ねじれ角があることで、歯車に回転方向の力だけでなく、軸方向の力も発生します。この軸方向の力は「スラスト力」と呼ばれ、回転差が生じると差動制限トルクと呼ばれる抵抗力を発生させるのです。

摩擦力とスラスト力、この二つの力が複雑に作用することで、トルセンＡ型差動装置は左右の車輪の回転差を緻密に制御します。カーブを曲がるときのように、左右の車輪の回転速度が必然的に異なる場合でも、トルセンＡ型差動装置はそれぞれの車輪に必要な駆動力を適切に配分し、スムーズで安定した走行を可能にします。

このような高度な仕組みを持つトルセンＡ型差動装置は、高い信頼性と優れた性能を両立しており、多くの車に採用されています。

エレメントギヤの配置

回転力を左右の車輪に伝える差動装置の一つ、トルセンA型差動装置。その内部では、「エレメント歯車」と呼ばれる重要な部品が、独特の配置で収められています。このエレメント歯車は、トルセンA型差動装置の心臓部と言える部分であり、その配置こそが、この装置の優れた性能の鍵を握っています。

トルセンA型差動装置の中心には「ウォーム歯車」があり、このウォーム歯車の周りをエレメント歯車が囲んでいます。まるで太陽の周りを惑星が回るように、三組のエレメント歯車が、それぞれ120度の角度を保って配置されています。つまり、全部で六個のエレメント歯車がウォーム歯車と協調して働いているのです。

一つ一つのエレメント歯車は、二種類の歯車が組み合わさってできています。一つはウォーム歯車と噛み合う歯車で、もう一つは隣のエレメント歯車と噛み合う歯車です。この複雑な形状が、トルセンA型差動装置の滑らかな動作を実現する上で、非常に重要な役割を果たします。

左右の車輪に動力を伝える際、エレメント歯車はウォーム歯車から回転力を受け取ります。120度の間隔で配置されたエレメント歯車は、この回転力を均等に左右の車輪に分配します。また、左右の車輪の回転速度に差が生じた場合には、エレメント歯車同士が噛み合うことで、その差を自動的に調整します。これにより、車は安定した走行を維持することができるのです。

エレメント歯車の配置と形状は、トルセンA型差動装置の性能を最大限に引き出すよう、精密に設計されています。左右の車輪への動力伝達を最適化することで、様々な路面状況でも、スムーズで安定した走りを実現する、この装置の重要な役割を支えているのです。

摩擦と差動制限

車は動力を伝えるために、車軸と車輪の間に差動装置を備えています。左右の車輪が異なる速度で回転できるようにすることで、カーブをスムーズに曲がることができます。差動装置は、左右の車輪に均等に動力を分配する設計になっていますが、片方の車輪が滑りやすい路面にある場合、その車輪ばかりが空回りし、もう片方のグリップ力のある車輪には動力が伝わりにくくなるという問題が生じます。そこで、差動制限装置が必要となります。

トルセンＡ型差動装置は、差動制限装置の一種で、機構の中に組み込まれた複数の歯車の噛み合いによって生まれる摩擦力と、ねじり力を利用して、左右の車輪の回転差を調整します。この装置は、トルク感応型と呼ばれ、入力される動力の大きさに応じて、差動制限力の強さが変化するという特徴を持っています。

例えば、雪道で片方の車輪が空転し始めた場合、トルセンＡ型差動装置は、空転している車輪への動力伝達を自動的に抑え、グリップのある車輪へより多くの動力を送るように働きます。ドライバーが特別な操作をしなくても、装置が自動的に反応してくれるので、滑りやすい路面でもスムーズに発進や走行を続けることができます。

トルク感応型であるため、路面状況の変化に瞬時に対応できることも大きな利点です。乾いた舗装路から、濡れた路面、凍結路面など、刻々と変化する路面状況に合わせて、常に最適な動力配分を行うことで、車の安定性を保ち、安全な走行を支援します。急なカーブや、左右の路面状況が異なるような場面でも、トルセンＡ型差動装置は効果的に働き、ドライバーの運転操作を助けます。

予圧の有無

トルセンＡ型差動装置は、部品にあらかじめ負荷をかける「予圧」という技術を必要としません。他の差動装置では、部品同士のわずかな隙間（ガタ）をなくし、滑らかな動き出しを確保するために予圧をかけることが一般的です。しかし、トルセンＡ型差動装置では、その独特の構造によって予圧が不要となっています。

この装置の心臓部は、ウォームギヤとエレメントギヤと呼ばれる歯車です。これらの歯車は、ねじのような形状を持つウォームギヤと、それと噛み合うエレメントギヤが組み合わさって回転力を伝えます。トルセンＡ型差動装置では、このウォームギヤとエレメントギヤの噛み合い構造自体が、差動制限トルクを生み出す役割を果たします。

差動制限トルクとは、左右の車輪の回転速度に差が生じた時に、回転の遅い車輪側にトルクを配分する力のことで、例えば片輪が滑りやすい路面に差し掛かった時でも、もう片方の車輪に駆動力を伝え、車を安定して走らせることができます。トルセンＡ型差動装置では、ウォームギヤとエレメントギヤの噛み合いの強さによってこの差動制限トルクが発生するため、予圧をかけなくても左右の車輪に適切な駆動力を配分することが可能です。

予圧が不要であることは、様々な利点につながります。まず、部品同士が常に強い力で押し付けられることが無いため、部品の摩耗を低減できます。これは装置の寿命を延ばすことに直結します。さらに、予圧をかけるための部品や調整機構が不要になるため、構造が簡素化され、製造コストの削減にも貢献します。また、定期的な予圧調整などのメンテナンス作業も不要となるため、整備の手間も省け、維持管理の負担を軽減します。このように、トルセンＡ型差動装置は、シンプルな構造ながらも高い性能と耐久性、そして優れた整備性を両立しています。

ABSとの適合性

自動車の安全装置として欠かせない存在となった急ブレーキ時の車輪のロックを防ぐ装置（ＡＢＳ）。この装置とトルセンＡ型差動装置との相性は非常に良いとされています。

ＡＢＳは、急ブレーキ時にタイヤがロックしてしまうのを防ぎ、ハンドル操作による車両の制御を可能にする安全装置です。もしタイヤがロックしてしまうと、ハンドル操作が効かなくなり、危険な状況に陥る可能性があります。トルセンＡ型差動装置は、左右のタイヤに適切な駆動力を配分する装置で、通常走行時はもちろん、滑りやすい路面などでも安定した走行を可能にするのに役立ちます。

では、なぜこの二つの装置の相性が良いのでしょうか。それは、トルセンＡ型差動装置の作動原理にあります。トルセンＡ型差動装置は、左右のタイヤの回転差を感知して作動します。タイヤの回転差が大きくなると、差動装置内のウォームギアの働きにより、駆動力が大きい方のタイヤから小さい方のタイヤへと自動的に配分されます。このトルクの移動は、あらかじめ設定された強さではなく、左右のタイヤにかかるトルクの差に比例して行われます。

一方、ＡＢＳはタイヤの回転速度を監視し、タイヤがロックしそうになるとブレーキの油圧を調整することでロックを防ぎます。トルセンＡ型差動装置は回転差に反応して作動するため、ＡＢＳの介入を妨げることがありません。つまり、トルセンＡ型差動装置はＡＢＳが作動している状態でも正常に機能し、左右のタイヤへ適切な駆動力を配分し続けることができるのです。

他のタイプの差動制限装置の中には、あらかじめ設定された一定の抵抗力を持つものがあります。このような装置の場合、ＡＢＳの繊細な制御を阻害する可能性があります。しかし、トルセンＡ型差動装置は余分な抵抗を持たないため、ＡＢＳと協調的に作動することができるのです。このように、トルセンＡ型差動装置とＡＢＳの組み合わせは、安全性を高める上で非常に有効です。