差動装置

テンプレート:出典の明記 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振り分ける装置。歯車を使った差動歯車やねじを使ったものなどがある。

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言う。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、内側と外側の車輪に速度差（回転数の差）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。動力のない車輪や、対となる駆動輪が存在しない2輪車では必要ない。

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、四輪駆動車の場合は前後両方）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。これはフルタイム四駆と呼ばれるもので、エンジン出力はまずセンターデフへ伝えられ、そこから前後のデフに配分されることになる。

パートタイム四駆などの、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るが、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の注意書きがある場合が多い。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いので、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。これはフルタイム四駆においてセンターデフを直結させた場合も同様であり、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。

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。

ファイル:Differential free.png

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。

ファイル:Differential locked.png

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。

リングギア（青）の枠とピニオンギア（緑）は固定されているが、リングギア（青）とサイドギア（赤、黄）は同じ軸に通してあるだけで連動はしない。

デフロック

テンプレート:Main 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、まず最初に何らかの方法で差動装置の固定・開放を制御するデフロック (DL: Differential Lock、差動固定装置) が考案された。その名の通り差動を強制的に固定するもので、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、とりわけ泥濘路等の極端にミューの低い路面の走行時や、スタックや脱輪からの脱出時、あるいはドラッグレースのスタート時など極端に駆動軸へのトラクションが大きくなる局面でも車輪へ確実に駆動力を伝えられるようになり、走破性や発進能力が向上した。4WDにおいては車軸のみならず、センターデフを固定することでスタックからの脱出性能を更に向上させられるセンターデフロックなどの機構も実用化された。

デフロックには大きく分けて3種類が存在し、通常はデフロック状態であるが動力源と左右の車輪間の回転差やトルク差などの諸条件が合致した場合にデフロックを自動解除するオート・デフロック。通常はオープンデフとして機能するが、運転手のスイッチやレバー操作により強制的に固定状態とする機構を追加したセレクタブル・デフロック。オープンデフを単純に溶接などの方法で完全に固定してしまうスプール・デフに大別される。

しかし、デフロックは差動機能を捨ててしまうために差動固定中は極端に旋回性能などが低下し、左右の車輪の回転差も吸収できなくなりタイヤの摩耗も激しくなるという欠点がある。比較的コーナリング性能を考慮したオート・デフロックの場合でも、多くは差動固定と固定解除の制御を遠心力で断続するドグクラッチに頼ったために、走行条件によりドライブフィールが急激に変化する場合が多く、ドライバビリティは必ずしも良好とは言えなかった。例えば、マッスルカー時代のアメリカ車で多用されたデトロイト・ロッカーに代表される、旋回中の左右車輪の回転差を検知して固定解除を行うものの場合、コーナリングの最中に突如固定解除が行われることから、ハンドリングがアンダーステアからオーバーステアに一気に変化するという独特の作動特性が存在した。こうした欠点の克服のために、後述のリミテッド・スリップ・デフが考案されるようになり、現在ではオフロード走行を特に重視したクロスカントリー型4WD車や一部の輸送トラックなどにセレクタブル・デフロックが装備される程度で、ドラッグレースなど極端な直進性能を求める競技車両などを除いては一般的なスポーツ走行車両はほぼ全てがLSDへと移行している。

リミテッド・スリップ・デフ

テンプレート:Main デフロックの持つ差動固定時のドライバビリティ低下の問題を克服するために、必要な時にのみ差動を制限する為のリミテッド・スリップ・デファレンシャル （LSD: limited slip differential、差動制限装置）が考案された。その名の通り差動に条件に応じた制限を持たせたもので、側面ギアの回転を限定的に抑制し無負荷状態の車輪の空転を可能な限り防ぐものである。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。また、通常はオープンデフとしてふるまい、特定の駆動条件下のみ自動的に差動を制限するため、デフロックの様な極端な操縦性の変化も起きにくくなった。

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、大きく分けて機械式では「トルク感応式」「回転感応式」そして電子式では「アクティブ制御式」の3種類に分類できる。

トルク感応式

入力されるトルクの反力が一定以上になると差動を制限する方式。

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もの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ことはほとんどない。なお、俗語的に『機械式LSD』と言った場合、この多板クラッチ式LSDを指すことが多い。
セレクティブLSD: 多板クラッチ式LSDのイニシャルトルク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、イニシャルトルクを可変させる。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ことが特徴である。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およびヘリカル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こと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。

回転感応式

左右の車輪（センターデフであれば前後の車軸）に生じた回転差が一定以上になると差動を制限する方式。

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。

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。

市販車では日産・スカイラインGT-RのアクティブLSDや三菱・ランサーエボリューションのACD、スバル・インプレッサのDCCD、フェラーリ・F430などに搭載されている。

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、ブレーキを用いることが特徴で、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ことで差動制限装置と同様の効果を擬似的に再現する。

フォルクスワーゲンのXDSも同じ原理で作動する装置である。

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ことにより、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などがある。

ワンウェイホイール

ファイル:Large dia one way wheel.JPG

ミニ四駆・大径ワンウェイホイール（機構の説明のため、一部パーツを取り外しています。）

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。ただし、この機構の場合、内輪側の駆動に対して外輪の駆動を加速方向にキャンセル（滑らせる）させる機構のため、自動車という乗り物の構造上、コーナリングで遠心力による荷重が外輪に掛かり、外輪の駆動力が強く要求されるという通常の状況では外輪の駆動を加速側に滑らせることが事実上不可能である。このため、実車での搭載例はごく低速の車両にしかない。

ランドローバー・シリーズI初期型の前輪に使用されていた。

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。

ファイル:DifferentialScrew.gif

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。
BC1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輪操舵システムが発明されたが、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。なお、スターレーは英国ローバー自動車につながる人物である。
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。

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（インホイールモーターなど）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。