ديفرانسيل خودرو چيست ؛ معرفي انواع و نحوه عملكرد آن

قدرت و گشتاور توليد شده در پيشرانه براي انتقال به چرخ‌هاي خودرو بايد از اجزاي مختلفي عبور كند و پس از ايجاد تغيير در اندازه و جهت گشتاور به چرخ‌ها انتقال يابد. در گام نخست، قدرت و گشتاور توليدي توسط پيشرانه به جعبه‌دنده وارد مي‌شود و پس از تغييراتي در بيشتر خودروها به ديفرانسيل منتقل مي‌شود تا قبل از انتقال به چرخ‌ها در آخرين ايستگاه، دوباره اصلاحاتي روي گشتاور اعمال شود. به‌طور كلي ديفرانسيل سه وظيفه‌ي اصلي بر عهده دارد كه به قرار زير است:

• انتقال قدرت پيشرانه به چرخ‌ها
• آخرين ايستگاه كاهش ضريب دنده، ديفرانسيل سرعت دوراني شفت محرك را تغيير مي‌دهد
• انتقال قدرت به چرخ‌ها درحالي‌كه به چرخ‌ها اجازه مي‌دهد با سرعت‌هاي متفاوتي دوران كنند

برخلاف تصور عموم، هر يك از چرخ‌هاي خودرو مستقل از چرخ‌هاي ديگر و با سرعتي متفاوت دوران مي‌كند. اين اتفاق به‌خصوص در پيچ‌ها قابل لمس‌تر است. سرعت برابر است با ميزان مسافت طي شده در زمان مشخص و به‌همين دليل چرخ نزديك‌تر به پيچ (داخل پيچ) مسافت كم‌تري نسبت به چرخ‌هاي خارج از پيچ مي‌پيمايد و اين امر به آن معنا است كه با سرعت كم‌تري نسبت به چرخ‌هاي خارجي دوران مي‌كند.

به‌طور معمول قدرت پيشرانه يا به چرخ‌هاي جلو يا به چرخ‌هاي عقب منتقل مي‌شود. به چرخ‌هايي كه قدرت پيشرانه به آن‌ها منتقل مي‌شود، محرك گفته مي‌شود و به چرخ‌هايي كه به واسطه‌ي چرخش چرخ‌هاي محرك به حرك در مي‌آيند، متحرك مي‌گويند. سرعت متفاوت در چرخ‌هاي متحرك اشكالي ايجاد نمي‌كند چراكه آن‌ها مستقل از يكديگر دوران مي‌كنند، اما به‌دليل انتقال مستقيم قدرت پيشرانه به چرخ‌هاي محرك و ارتباط آن‌ها به يكديگر، تفاوت در سرعت دوراني آن‌ها اهميت مي‌يابد. در اين حالت عدم وجود و استفاده از ديفرانسيل سبب مي‌شود كه چرخ‌هاي محرك به يكديگر قفل شده و به‌اجبار بايد با يك سرعت دوران كنند. اين موضوع سبب مي‌شود پيچيدن دشوار شده و در نتيجه كنترل خودرو به سختي صورت پذيرد. در اين حالت در هنگام پيچيدن، يكي از چرخ‌هاي محرك بايد دچار لغزيدن شود تا پيچيدن صورت پذيرد، در غيراين‌صورت پيچيدن بسيار دشوار و خطرناك خواهد بود و تنش زيادي به اكسل خودرو وارد مي‌شود.

در خودروهاي چهار چرخ محرك (4WD) كه در مواقع لاخبار تخصصي هر چهار چرخ محرك مي‌شوند، ديفرانسيل سوم وجود ندارد و به جاي آن در هنگام رانندگي در حالت چهار چرخ محرك، اكسل جلو و عقب به يكديگر قفل مي‌شوند و اين به آن معنا است كه سرعت متوسط چرخ‌هاي جلو و عقب بايد يكسان باشد. به همين دليل است كه در هنگام رانندگي در حالت چهار چرخ محرك پيچيدن روي سطوح با اصطكاك بالا بسيار دشوار مي‌شود.

360p/720p

ديفرانسيل خودرو انواع مختلفي دارد كه هر يك مزايا و معايب خاص خود را دارد. در ادامه به مطالعه و توضيح هر يك از انواع ديفرانسيل مي‌پردازيم و تا حد امكان آن‌ها را با يكديگر مقايسه مي‌كنيم.

اولين و ساده‌ترين نوع ديفرانسيل، نوع باز است. اين نوع از ديفرانسيل نسبت به ديگر نمونه‌ها ساده‌تر است و در نتيجه هزينه‌ي ساخت، تعمير و نگه‌داري از آن كمتر است. ديفرانسيل باز از تعدادي چرخ‌دنده به همراه سه شفت مجزا تشكيل شده است. شفت ورودي (محرك) وظيفه‌ي انتقال قدرت از پيشرانه به ديفرانسيل را برعهده دارد. قدرت پيشرانه پس از تغيير با استفاده از ضريب دنده، در نهايت به چرخ‌ها منتقل مي‌شود. دو شفت ديگر هر يك به يكي از چرخ‌هاي محرك متصل است و قدرت پيشرانه را از ديفرانسيل به چرخ‌ها منتقل مي‌كنند.

همان‌طور كه پيش‌تر اشاره شد، هنگامي‌كه خودرو در مسير مستقيم حركت مي‌كند چرخ‌هاي محرك با سرعت برابر مي‌چرخند. در اين حالت شفت ورودي (محرك) ديفرانسيل قدرت پيشرانه را به چرخ‌دنده‌ي رينگي منتقل مي‌كند و در حالت حرك در مسير مستقيم، شفت‌هاي متصل به چرخ‌ها با قفل شدن به يكديگر از طريق تماس با چرخ‌دنده‌ي رينگي، با سرعت برابر مي‌چرخند. چرخ‌دنده‌ي روي شفت ورودي به ديفرانسيل كوچك‌تر از چرخ‌دنده‌ي رينگي است و اين به آن معنا است كه ديفرانسيل ضريب دنده را كاهش مي‌دهد و در نتيجه سرعت چرخش چرخ‌هاي محرك براي آخرين بار نسبت به شفت ورودي كمتر مي‌شود. در زمان پيچيدن كه سرعت چرخ‌هاي محرك با يكديگر متفاوت مي‌شود، چرخ‌دنده‌هاي عنكبوتي تعبيه شده در ديفرانسيل وظيفه‌ي كنترل سرعت اين چرخ‌ها را برعهده مي‌گيرند. در اين حالت چرخي كه به داخل پيچ نزديك‌تر است با سرعت كمتر و چرخي كه در خارج پيچ قرار دارد، با سرعت بيشتر مي‌چرخد.

ديفرانسيل باز در حالت عادي همواره گشتاور پيشرانه را ميان دو چرخ به‌طور مساوي توزيع مي‌كند كه همين امر يكي از معايب اين نوع ديفرانسيل است. در شرايطي كه سطح جاده خشك باشد يا چرخ‌هاي محرك به‌طور نرمال روي سطح جاده قرار داشته باشند، توزيع برابر گشتاور هيچ اشكالي ايجاد نمي‌كند، اما زماني‌كه سطح جاده لغزنده باشد، گشتاور بيشتر به سمت چرخي كه مقاومت كمتري دارد (مي‌لغزد و اصطكاك كمتري دارد) انتقال مي‌يابد. در حالت عادي بيشترين ميزان گشتاور قابل انتقال به چرخ‌ها توسط پيشرانه، جعبه‌دنده و ديفرانسيل محدود مي‌شود، اما در حالت لغزندگي جاده بيشترين ميزان گشتاور قابل اعمال، مقداري است كه چرخ دچار لغزش (ليز خوردن) نشود. در اين حالت، گشتاور انتقالي به چرخ‌ها بايد به اندازه‌اي باشد كه چرخ دچار لغزيدن نشود و كنترل و هدايت خودرو ميسر باشد. به همين دليل است كه بعضي راننده‌ها در شرايطي كه سطح جاده يخ زده باشد، به‌جاي استفاده از دنده‌ي يك براي شروع حركت از دنده‌ي دو يا سه استفاده مي‌كنند چراكه در اين حالت گشتاور كمتري به چرخ‌ها اعمال مي‌شود و در نتيجه احتمال سُر خوردن به حداقل مي‌رسد.

حال شرايطي را در انديشه متخصصين بگيريد كه يكي از چرخ‌هاي محرك از اصطكاك لازم با سطح جاده برخوردار باشد، اما چرخ محرك ديگر روي سطحي لغزنده مثل يخ قرار گرفته باشد. همان‌طور كه در قسمت پيشين اشاره شد، بيشترين ميزان گشتاور قابل انتقال در حالت لغزندگي جاده برابر مقداري است كه مانع از لغزيدن چرخ شود كه به‌طور حتم در اين حالت ميزان گشتاور بسيار اندك خواهد بود. در اين حالت بيشتر گشتاور توسط ديفرانسيل باز به چرخ محركي كه روي سطح لغزنده قرار دارد منتقل مي‌شود، در نتيجه حركت و كنترل خودرو با اشكال مواجه خواهد شد.

معضل ديگر استفاده از ديفرانسيل باز هنگام رانندگي در مسيرهاي خارج از جاده (آفرود) رخ مي‌دهد. تصور كنيد در يكي از اين مسيرها يكي از چرخ‌هاي محرك از زمين فاصله بگيرد، در اين حالت نيز ديفرانسيل باز، ميزان بزرگتري از گشتاور پيشرانه را بدون هيچ‌گونه بهره‌اي صرف چرخش چرخ محرك معلق در هوا خواهد كرد و در نتيجه حركت خودرو دچار اشكال مي‌شود. براي حل اين معضلات ديفرانسيل لغزش محدود (Limited Slip Differential) ساخته شد كه در ادامه به معرفي آن مي‌پردازيم.

براي حل اشكالات و معايب ديفرانسيل باز، مهندسان نسل جديدي از ديفرانسيل‌ها را معرفي كردند كه به ديفرانسيل‌هاي لغزش محدود شناخته مي‌شوند. اين ديفرانسيل‌ها كه خود انواع مختلفي دارند، به‌طور ساده در صورت لغزش يكي از چرخ‌هاي محرك، بخش عمده‌ي گشتاور را به چرخي كه از اصطكاك كافي با سطح جاده برخوردار است منتقل مي‌كنند. در ادامه با انواع ديفرانسيل‌هاي لغزش محدود نظير كلاچ‌دار، اتصال ويسكوز، قفل شونده و تُرسن (Torsen) آشنا مي‌شويم.

360p/720p

در حال حاضر متداول‌ترين نوع ديفرانسيل لغزش محدود، نوع كلاچ‌دار آن است. اجزاي اصلي تشكيل‌دهنده‌ي اين نوع ديفرانسيل دقيقاً مشابه ديفرانسيل باز است با اين تفاوت كه تعدادي فنر و دو كلاچ به ساختار آن افزوده شده است. كلاچ‌ها در اين نوع ديفرانسيل وظيفه‌ي تنظيم ميزان گشتاور ارسالي به هر يك از چرخ‌هاي محرك را دارند. در اين ديفرانسيل‌ها هر يك از شفت‌هاي متصل به چرخ‌ها محرك يك كلاچ دارد كه وظيفه‌ي فشردن چرخ‌دنده‌ي شفت به چرخ‌دنده‌ي عنكبوتي ديفرانسيل را برعهده دارد. در حالت حركت روي مسير مستقيم و شرايط معمولي جاده، عملكرد ديفرانسيل لغزش محدود شبيه به ديفرانسيل باز است، اما در صورت وارد شدن به يك پيچ، لغزنده بودن سطح زير يكي از چرخ‌هاي محرك يا رانندگي در جاده‌هاي ناهموار كلاچ‌هاي تعبيه شده در اين ديفرانسيل اهميت مي‌يابند. عملكرد اين كلاچ‌ها به اين صورت است كه به محض تمايل يك چرخ محرك براي چرخش سريع‌تر نسبت به چرخ محرك ديگر نيروي وارد شده به كلاچ آن چرخ كاهش يافته و در نتيجه درگيري چرخ‌دنده‌ي آن با چرخ‌دنده‌ي عنكبوتي كاهش مي‌يابد، نتيجه اينكه گشتاور انتقالي به آن چرخ كمتر مي‌شود. از سوي ديگر كلاچ سوار شده روي شفت چرخ محركي كه اصطكاك بالاتري دارد به پوسته‌ي ديفرانسيل فشرده شده و محكم مي‌شود، درگيري با چرخ‌دنده‌ي عنكبوتي افزايش مي‌يابد، در نتيجه گشتاور بيشتري به اين چرخ منتقل مي‌شود. اين طراحي هوشمندانه، ضمن رفع نواقص ديفرانسيل باز، خودرو را قادر مي‌سازد كه از شرايط ناهموار و بد جاده عبور كند.

به‌طور معمول از اين ديفرانسيل در خودروهاي تمام چرخ محرك (All Wheel Drive) استفاده مي‌شود. وظيفه‌ي اين ديفرانسيل ايجاد اتصال ميان محور جلو و عقب خودرو است تا در شرايطي كه يكي از محورها دچار لغزش شد، گشتاور به محور ديگر انتقال يابد. در اين نوع ديفرانسيل ابتداي شفت هر چرخ محرك كه به ديفرانسيل وارد مي‌شود، در يك صفحه‌ي فلزي شياردار محصور شده است كه ميان شيارهاي آن با شفت و پوسته‌ي ديفرانسيل توسط يك سيال با چگالي زياد پر شده است. در اين ديفرانسيل پوسته نيز همراه شفت‌ها مي‌چرخد.

وظيفه‌ي اين سيال انتقال گشتاور از طريق نيروي اصطكاك است. هنگامي كه يكي از چرخ‌هاي محرك شروع به لغزيدن كند، سرعت چرخش آن نسبت به چرخ ديگر افزايش مي‌يابد. در اين حالت پوسته‌ي ديفرانسيل با سرعت بالاتر شروع به چرخش مي‌كند، در نتيجه به واسطه‌ي اصطكاك سيال چگال با صفحه‌ي فلزي متصل به شفت ديگر كه سرعت پايين‌تري دارد، ميزان انتقال گشتاور به اين چرخ افزايش مي‌يابد. با وجود عملكرد مناسب اين ديفرانسيل در شرايط ذكر شده، اما هنگام عبور از پيچ‌ها به‌خاطر اختلاف سرعت كمتر ميان چرخ‌ها نسبت به حالت ليز خوردن، ديفرانسيل لغزش محدود با اتصال ويسكوز عملكرد خاصي نخواهد داشت.

ديفرانسيل لغزش محدود قفل شونده بيشتر در خودروهاي مختص رانندگي آفرود به‌كار مي‌رود. در اين ديفرانسيل‌ها يك مكانيزم الكتريكي، پنوماتيكي يا هيدروليكي وظيفه‌ي قفل كردن دو شفت چرخ‌هاي محرك به يكديگر را برعهده دارد. مكانيزم قفل كننده به‌طور معمول توسط يك كليد فعال مي‌شود و سبب مي‌شود كه تحت هر شراييطي سرعت چرخش چرخ‌هاي محرك با يكديگر برابر باشد. در اين سيستم ديگر اهميتي ندارد كه يك چرخ از زمين فاصله گرفته يا ليز مي‌خورد، همواره گشتاور ميان دو چرخ به‌طور برابر تقسيم مي‌شود.

ديفرانسيل لغزش محدود ترسن عملكردي مشابه نمونه‌هاي قبلي دارد، اما برخلاف هيچ‌يك از ديفرانسيل‌هاي قبلي در ساختار آن از كلاچ، سيال چگال و قطعات الكترونيكي استفاده نشده است. اين ديفرانسيل كه نامش از عبارت انگليسي «Torque Sensing» اقتباس شده است، زماني كه گشتاوري برابر به چرخ‌ها ارسال مي‌شود، درست مشابه ديفرانسيل باز عمل مي‌كند.

به محض لغزيدن يكي از چرخ‌ها و افزايش سرعت چرخش آن نسبت به چرخ ديگر، ديفرانسيل ترسن اين تفاوت را حس كرده و چرخ‌دنده‌هاي آن به يكديگر قفل مي‌شوند. بزرگ‌ترين مزيت ديفرانسيل‌هاي ترسن امكان انتقال گشتاور به چرخ با اصطكاك بالاتر با نسبت بيش از يك است. به اين معني كه اگر نسبت باياس گشتاور در يك ديفرانسيل ترسن ۵ به ۱ باشد، اين ديفرانسيل قادر است پنج برابر گشتاور بيشتري به چرخ داراي اصطكاك بهتر منتقل كند.

از اين ديفرانسيل در بعضي خودروهاي تمام چرخ محرك اسپرت و سوپراسپرت استفاده مي‌شود و وظيفه‌ي انتقال گشتاور ميان محورهاي جلو و عقب را برعهده دارد. در اين حالت با تشخيص لغزش چرخ‌هاي محرك يكي از محورها گشتاور به محور ديگر انتقال مي‌يابد. اگرچه اين يك مزيت كارآمد محسوب مي‌شود، اما در صورتي كه چرخ‌هاي يكي از محورها به‌طور كامل اصطكاك خود با سطح را از دست بدهند، اين ديفرانسيل قادر به انتقال هيچ گشتاوري به محور ديگر نخواهد بود.