2ピニオン式差動装置の仕組みと特徴
車を知りたい
先生、2ピニオン式差動装置って、ピニオンギヤが2個しかないんですよね？ なんでハイパワーな車だと4個も使うんですか？ 2個で十分じゃないんですか？
自動車研究家
良い質問ですね！ 2個でも動くことは動くのですが、ハイパワーな車はエンジンが強い分、ピニオンギヤにかかる力も大きくなってしまうんです。2個だとその力に耐えきれず壊れてしまう可能性があるため、4個にして力を分散させているんですよ。
車を知りたい
なるほど！それでピニオンギヤの数を増やして、1つにかかる力を減らしてるんですね。でも、数が多くなると、摩擦とかで動きが悪くならないんですか？
自動車研究家
鋭いですね！ 確かに摩擦は増えます。そこで、ピニオンシャフトにリュウブライト処理やめっきなどの表面処理をして、摩擦を減らし、スムーズに動くように工夫しているんです。
2ピニオン式差動装置とは。
「2ピニオン式差動装置」とは、自動車の傘歯車式差動装置の中でも、一般的なトルクを伝達する際に用いられる、ピニオンギアが2つのタイプのものを指します。
伝達トルクをTとすると、ピニオンシャフトから1つのピニオンギアの中心穴に加わる力Fは、F=T/D（Dは2つのピニオンギア間の距離）で表されます。この力Fは、左右のサイドギアの歯面と噛み合うことでそれぞれ(1/2)Fずつに分かれ、中心穴に作用する力Fと釣り合います。
しかし、このピニオンギア中心穴に作用する力Fは非常に大きいため、ハイパワーエンジンを搭載した車では、ピニオンギアを4つにすることで、それぞれのギアにかかる力を(1/2)Fに軽減しています。
また、差動時にはピニオンギアがシャフト上を回転しながら力が加わるため、ピニオンシャフトには、リュウブライト処理やめっきなどの表面処理を施し、焼付き対策を施しています。
差動装置の役割とは？
自動車がカーブを曲がるとき、内側のタイヤと外側のタイヤでは進む距離が異なります。旋回時に内輪差が生じるためです。外側のタイヤは内側のタイヤよりも長い距離を走行しなければなりません。もし、左右のタイヤが同じ回転数で固定されていたらどうなるでしょうか？
カーブをスムーズに曲がるためには、左右のタイヤの回転数を調整する必要があります。 この役割を担うのが差動装置です。 差動装置は、エンジンの動力を左右のタイヤに適切に分配することで、スムーズなコーナリングを実現します。 また、直進時でも、路面状況の違いなどによって左右のタイヤの回転差が生じることがありますが、差動装置はこうした状況にも対応し、常に安定した走行を可能にします。
2ピニオン式差動装置の構造
2ピニオン式差動装置は、主にピニオンギア2個とサイドギア2個、そしてケースで構成されています。ケースの中心にはリングギアが配置され、エンジンからの動力はまずこのリングギアに伝わります。
リングギアと噛み合う形で2つのピニオンギアが配置され、さらにその両脇にはサイドギアが配置されます。このサイドギアは、それぞれ左右の車輪に接続されています。
2つのピニオンギアは互いに噛み合いながら、リングギアの回転をサイドギアに伝達します。この構造により、左右の車輪に異なる回転速度を生み出すことが可能になります。
トルク伝達のメカニズム
2ピニオン式差動装置において、トルク伝達は巧妙な歯車の組み合わせによって実現されます。エンジンからの動力はまず、プロペラシャフトを経由してデファレンシャルギアボックス内のリングギアに伝達されます。リングギアは、その名の通り歯車がリング状に配置された大きなギアで、デファレンシャルユニットの中心に位置しています。
リングギアは、ピニオンギアと呼ばれる小さな歯車と噛み合っています。ピニオンギアは通常2つ、左右の車軸に繋がるサイドギアと噛み合うように配置されています。この構造により、エンジンからのトルクはリングギアからピニオンギア、そして左右のサイドギアへと伝達され、最終的にタイヤを回転させる力となります。
2ピニオン式のメリット・デメリット
2ピニオン式差動装置は、そのシンプルな構造ゆえに、いくつかのメリットとデメリットを持ち合わせています。
まずメリットとしては、部品点数が少なく、軽量・コンパクトに仕上がることが挙げられます。このため、車体重量の軽減やスペース効率の向上に貢献し、特に小型車や燃費が重視される車種に適しています。また、製造コストが低いこともメリットと言えるでしょう。
一方、デメリットとしては、トルク伝達容量が低い点が挙げられます。これは、ピニオンギアの数が少ないため、一度に伝達できる動力の大きさが制限されるためです。そのため、高出力なエンジンを搭載する大型車や、過酷な環境で使用される車種には不向きです。また、耐久性が低いという側面も持ち合わせています。2ピニオン式は、ピニオンギアにかかる負荷が大きいため、摩耗や破損のリスクが高まります。
このように、2ピニオン式差動装置はメリット・デメリットを理解した上で、車種や用途に合わせて採用を検討する必要があります。
ハイパワーエンジン車への対応
2ピニオン式差動装置は、その構造上、ハイパワーエンジン車への搭載には不利とされてきました。これは、ピニオンギアの数が少ないため、各ギアにかかる負荷が大きくなり、耐久性の面で課題があったためです。
しかし、近年では、素材の進化やギアの加工技術の向上により、2ピニオン式差動装置でも十分な耐久性を確保できるようになってきています。そのため、軽量化や低コスト化といったメリットを活かし、ハイパワーエンジン車にも搭載されるケースが増えてきています。