ديفرانسيل خودرو چيست؛ معرفي انواع و نحوه عملكرد آن
اگر درباره نحوه عملكرد پيشرانه خودرو اطلاعات داشته باشيد، ميدانيد كه قدرت چگونه توليد ميشود. سيستم انتقال قدرت، قواي محرك پيشرانه را ميگيرد و آن را باتوجهبه سرعت و گشتاور، تنظيم ميكند. جعبهدنده، نيروي موتور را به ديفرانسيل ميفرستد تا اجازه چرخش چرخها ايجاد شود. ديفرانسيلها در مرحله بعد از جعبهدنده قرار دارند و نيروي موتور را با تنظيمات خود به پلوس چرخهاي خودرو انتقال ميدهند.
به بيان ساده، قدرت از جعبهدنده وارد ديفرانسيل ميشود و سرانجام به چرخها ميرسد. ديفرانسيل تجهيزي است كه در بيشتر خودروها قدرت پيشرانه را قبل از چرخها دريافت ميكند. در اين مقاله، با ديفرانسيل و كاركرد و انواع آن آشنا خواهيم شد.
تاريخچه ديفرانسيل
انديشه متخصصيناتهاي متنوعي درباره اختراع ديفرانسيل وجود دارد. برخي از نقاط عطف تاريخي براي ديفرانسيل عبارتاند از:
- ۷۰ تا ۱۰۰ سال پيش از ميلاد مسيح: مكانيزم آنتيكيترا (Antikythera) به اين دوره مربوط است. دانشمندان اين مكانيزم را در سال ۱۹۰۲ در لاشههاي يك كشتي غرقشده كشف كردند و تحقيقات جديد نشان ميدهد كه از نوعي ديفرانسيل براي تعيين زاويه بين موقعيتهاي اكليپتيك (خسوف و كسوف) خورشيد و ماه و به اين ترتيب وضعيت ماه استفاده ميكردند.
- ۲۲۷ تا ۲۳۹ ميلادي: Ma Jun از سلسله پادشاهي Wei در چين اولين ارابه تاريخي جنوبنما را اختراع كرد. در اين ارابه جنوبنما، از مكانيزم قطبنماي غيرمغناطيسي و نيز نوعي ديفرانسيل استفاده شده بود.
- ۶۵۸ تا ۶۶۶ ميلادي: دو مهندس و راهب چيني بودايي ارابههاي جنوبنما براي تنجي، امپراتور وقت ژاپن، ساختند كه در آن از نوعي ديفرانسيل استفاده شده بود.
- ۱۰۲۷ تا ۱۱۰۷ ميلادي: بازتوليد ارابه جنوبنما بهدست يان سو و سپس وو درن كه جزئياتي از عملكرد مكانيكي و نسبت دنده دستگاه را بسيار بيشتر از ساير موارد شناختهشده در چين توصيف ميكرد.
- سال ۱۷۲۰ ميلادي: جوزف ويليامسون از يك ديفرانسيل در ساعت استفاده كرد.
- سال ۱۸۱۰ ميلادي: رودولف آكرمن آلماني از سيستم چهار چرخ فرمان براي كالسكهها استفاده كرد كه برخي بعدها به اشتباه آن را ديفرانسيل گزارش دادند.
- سال ۱۸۲۷: ديفرانسيل كنوني كه در خودروهاي معاصر استفاده ميشود، براي اولينبار بهوسيله اونسيفور پيكوئر، ساعتساز فرانسوي، براي متخصصد در ماشين بخار اختراع شد.
- سال ۱۸۳۲: ريچارد رابرتز دستگاهي به نام دنده جبرانكننده اختراع كرد كه بهعنوان ديفرانسيل لوكوموتيوهاي جادهاي استفاده شد.
- سال ۱۸۷۴: اولينگ و پورتر از روچستر در لوكوموتيو نوعي ديفرانسيل براي محور عقب استفاده كردند.
- سال ۱۸۷۶: جيمز استارلي ديفرانسيلي براي استفاده در دوچرخهها طراحي كرد؛ اختراعي كه بعدها آن را كارل بنز در خودروها بهكار برد.
- سال ۱۸۹۷: ديويد شيرر در استراليا اولينبار از ديفرانسيل در يك ماشين بخار بهره گرفت.
- سال ۱۹۵۸: ورنون گليزمن ديفرانسيل تورسن را اختراع كرد. اين ديفرانسيل نوعي ديفرانسيل لغزش محدود محسوب ميشد كه بهجاي استفاده از تركيب كلاچ و چرخدنده، تنها بر دندهها متكي بود.
ديفرانسيل ماشين چيست؟
ديفرانسيل قطعهاي است در زير خودرو بين دو چرخ جلو يا عقب كه قدرت پيشرانه را بين دو چرخ تقسيم ميكند. بعضي خودروها دو ديفرانسيل هستند و برخي نيز تنها از يك ديفرانسيل بهره ميبرد. در خودرو يا ديگر وسايل نقليه چرخدار، ديفرانسيلها قسمتي از سيستم انتقال قدرت هستند كه باعث ميشوند تا چرخها با سرعتهاي مختلف و با نيرويي مساوي بچرخند و وظيفه انتقال حركت از جعبهدنده به چرخها را برعهده دارند.
از آغاز اختراع خودرو، موضوع گردش سريع چرخهاي عقب خودرو در سر پيچها فكر مهندسان را به خود مشغول كرده بود؛ چراكه در سر پيچها، چرخ خارج پيچ بايد سريعتر از چرخ داخل پيچ حركت كند و اگر هر دو چرخ روي محور واحدي سوار شوند، ممكن نيست اين عمل بدون واژگونشدن خودرو صورت گيرد. حل اين اشكال با دستگاهي به نام ديفرانسيل انجام گرفت.
ديفرانسيل سه وظيفه مهم برعهده دارد:
۱ . رساندن قدرت پيشرانه به چرخها: ديفرانسيل يكي از اجزاي خط انتقال قدرت است كه در رساندن قدرت به چرخها نقش ايفا ميكند؛ بههميندليل، گاهي اوقات به آن گرداننده نهايي نيز گفته ميشود.
۲ . كاهش نسبت دنده نهايي خودرو: بهعنوان كاهنده نهايي نسبت دنده در خودرو عمل ميكند و سرعت دوراني جعبهدنده را يك بار ديگر قبل از رسيدن به چرخها كاهش ميدهد.
۳ . اجازه چرخيدن چرخها با سرعتهاي متفاوت در هنگام پيچيدن: ديفرانسيل به چرخها اجازه ميدهد كه هنگام چرخيدن در سر پيچها، علاوهبر انتقال نيرو با سرعتهاي متفاوتي بچرخند.
در اين مقاله شما خواهيد آموخت كه چرا خودرو به ديفرانسيل نياز دارد و چگونه كار ميكند و ضعفهايش چيست. همچنين، انواع مختلف ديفرانسيل را مطالعه و تفاوت آنها را باهم مقايسه ميكنيم.
چرا خودرو به ديفرانسيل نياز دارد؟
چرخهاي خودرو در بعضي شرايط بهخصوص هنگام چرخش، با سرعتهاي متفاوتي ميچرخند. هنگام چرخيدن در سر پيچها، هر چرخ مسير متفاوتي دارد و چرخهاي داخل پيچ مسافت كمتري از چرخهاي خارج پيچ طي ميكنند. ازآنجاكه سرعت برابر با مسافت طيشده تقسيم بر زمان است، چرخهاي داخل پيچ بايد سرعت كمتري داشته باشند و چرخهاي خارج پيچ با سرعت بيشتري حركت كنند. همچنين، بايد توجه كنيد كه چرخهاي جلو مسافت متفاوتي از چرخهاي عقب ميپيمايند.
براي چرخهاي غيرمتحرك در خودرو - چرخهاي جلو در خودرو محرك عقب و چرخهاي عقب در خودرو محرك جلو - اشكال خاصي وجود ندارد؛ زيرا هيچ ارتباطي بين آنها وجود ندارد و بهطور مستقل ميچرخند؛ اما چرخهاي متحرك روي يك محور باهم مرتبط هستند؛ بهطوريكه پيشرانه و جعبهدنده واحدي هر دو چرخ را بهحركت درميآورد.
اگر خودرو ديفرانسيل نداشته باشد، چرخها به همديگر قفل ميشوند و بايد با سرعت يكساني دوران كنند. با وجود لاستيكهاي مدرن و جادههاي آسفالت، نيروي زيادي براي لغزش تاير روي جاده موردنياز است. چنين نيرويي بايد ازطريق محور خودرو (اكسل) و از يك چرخ به ديگري منتقل شود؛ درنتيجه فشار بسيار زيادي بر اجزاي اكسل وارد خواهد شد.
اجزاي ديفرانسيل خودرو
سادهترين نوع ديفرانسيل را در شكل زير مشاهده ميكنيد كه در اينجا با اجزاي آن آشنا خواهيم شد. تصوير زير نام تمام اجزاي ديفرانسيل ساده را نشان ميدهد. شمارههاي ۱ تا ۷ بهترتيب به پولوس، كرانويل، دنده سرپولوس، دنده هرزگرد، هوزينگ، پينيون و محور ميلگاردان تعلق دارند.
هنگامي كه خودرو بهطور مستقيم در جاده حركت كند، هر دو چرخ محرك با سرعت يكساني ميچرخند. دنده پينيون (دنده ورودي به ديفرانسيل) نيرو را از جعبهدنده ميگيرد و كرانويل و هوزينگ را بههمراه خود ميچرخاند. دندههاي سرپولوس به هوزينگ قفل شدهاند و بين آنها دو دنده هزرگرد وجود دارد. درحقيقت، دندههاي هرزگرد نميچرخند و فقط وظيفه تعادل نيرو بين دندههاي سرپولوس را برعهده دارند.
در حركت مستقيم، دندههاي هرزگرد با چرخش هوزينگ ميچرخند و نيروي خود را به دندههاي سرپولوس انتقال ميدهند؛ درنتيجه هر دو چرخ با سرعت يكساني شروع به چرخش ميكنند. باوجوداين، اگر مقاومت يكي از چرخها دربرابر حركت بيشتر باشد، دنده سرپولوس آن كمتر ميچرخد و حركتش را ازطريق دندههاي هرزگرد به دنده سرپولوس مقابل انتقال ميدهد؛ بنابراين، چرخي كه مقاومت كمتري دارد، با سرعت بيشتري ميچرخد و اين وظيفه را دندههاي هرزگرد انجام ميدهند.
پينيون قطر كمتري از كرانويل دارد و درحقيقت مجموعه پينيون و كرانويل آخرين كاهش نسبت دنده در خودرو را انجام ميدهد. گاهي ديفرانسيل را گرداننده نهايي نامگذاري ميكنند كه به نسبت دنده ديفرانسيل اشاره ميكند. اگر تعداد دندانههاي پينيون ۹ و كرانويل ۳۶ باشد، نسبت دنده گرداننده نهايي از تقسيم دندانههاي كرانويل بر پينيون بهدست ميآيد كه ۴ ميشود. بهعبارتديگر، نسبت دنده ديفرانسيل ۴:۱ است و اگر پينيون ۴ دور بزند، كرانويل تنها يك بار ميچرخد. هنگامي كه خودرو ميچرخد، چرخها بايد با سرعتهاي مختلفي چرخش داشته باشند.
در ويدئو، ميتوانيد ببينيد كه هنگامي خودرو شروع به پيچيدن ميكند، هرزگردها در داخل هوزينگ شروع به چرخش ميكنند و به چرخها اجازه ميدهند با سرعت متفاوتي بچرخند. چرخ داخل پيچ با سرعت كمتري ميچرخد؛ ولي چرخ خارجي چرخش سريعتري دارد.
سيستم ديفرانسيل خودرو
ديفرانسيل وسيلهاي است كه گشتاور پيشرانه را به دو بخش تقسيم ميكند و به هركدام از خروجيها اجازه ميدهد تا با سرعت متفاوتي بچرخند. ديفرانسيل در تمام خودروهاي مدرن و كاميونها و بسياري از وسايل نقليه تمامچرخ محرك يافت ميشود. خودروهاي تمامچرخ محرك روي هر مجموعه از چرخها و بين محورهاي جلو و عقب به ديفرانسيل نياز دارند؛ زيرا چرخهاي جلو و عقب نيز مسير متفاوتي ميپيمايند و بايد سرعت متفاوتي داشته باشند.
سيستمهاي چهارچرخ محرك نيمهوقت به استفاده از ديفرانسيل بين چرخهاي جلو و عقب نيازي ندارند؛ درعوض محورهاي جلو و عقب باهم قفل ميشوند؛ بهطوريكه چرخهاي جلو و عقب بايد با سرعت متوسط يكساني چرخش داشته باشند. بههميندليل، اين خودروها در هنگام استفاده از سيستم چهار چرخ محرك بهسختي ميپيچند.
طرز كار ديفرانسيل
گشتاور ورودي به چرخدنده (آبي) اعمال ميشود كه كل كرانويل يا قفسه (آبي) را ميچرخاند. كرانويل، تنها ازطريق چرخدندههاي هرزگرد (سبز) به دو دنده سرپولوس (قرمز و زرد) متصل ميشود. گشتاور بهوسيله چرخدندههاي هرزگرد به دندههاي سرپولوس فرستاده ميشود. دنده هرزگرد در اطراف محور كرانويل دَوَران ميكند و دندههاي سرپولوس را به چرخش درميآورد. اگر مقاومت در هر دو چرخ برابر باشد، چرخدنده هرزگرد بدون چرخش حول محور خود دَوَران ميكند. در اين شرايط، هر دو چرخ با سرعت يكساني ميچرخند.
اگر دنده سرپولوس سمت چپ (قرمز) با مقاومت مواجه شود، چرخدنده هرزگرد (سبز) نيز ميچرخد و سرعت دنده سرپولوس سمت چپ را كاهش ميدهد و سرعت چرخش دنده سرپولوس سمت راست (زرد) به همان اندازه افزايش مييابد.
انواع ديفرانسيل خودرو
بهطور كلي، ميتوان انواع ديفرانسيل را در چهار دسته قرار داد:
- ديفرانسيل باز
- ديفرانسيل قفلشونده
- ديفرانسيل لغزش محدود
- ديفرانسيل توزيع گشتاور
درادامه، با اين ديفرانسيلها آشنا خواهيم شد.
ديفرانسيل باز
اولين و سادهترين نوع ديفرانسيل، نوع باز است. اين نوع ديفرانسيل ازديگر نمونهها سادهتر و درنتيجه، هزينه ساخت و تعمير و نگهداري از آن كمتر است. ديفرانسيل باز از تعدادي چرخدنده بههمراه سه شفت مجزا تشكيل شده است. شفت ورودي (محرك) وظيفه انتقال قدرت از پيشرانه به ديفرانسيل را برعهده دارد. قدرت پيشرانه پس از تغيير با استفاده از ضريب دنده، درنهايت به چرخها منتقل ميشود. دو شفت ديگر هريك به يكي از چرخهاي محرك متصل است و قدرت پيشرانه را از ديفرانسيل به چرخها منتقل ميكنند.
هنگاميكه خودرو در مسير مستقيم حركت ميكند، چرخهاي محرك با سرعت برابر ميچرخند. در اين حالت، شفت ورودي (محرك) ديفرانسيل قدرت پيشرانه را به چرخدنده رينگي منتقل ميكند و در حالت حركت در مسير مستقيم، شفتهاي متصل به چرخها با قفلشدن به يكديگر ازطريق تماس با چرخدنده رينگي، با سرعت برابر ميچرخند.
چرخدنده روي شفت ورودي به ديفرانسيل كوچكتر از چرخدنده رينگي است و اين يعني كه ديفرانسيل ضريب دنده را كاهش ميدهد و درنتيجه، سرعت چرخش چرخهاي محرك براي آخرينبار از شفت ورودي كمتر ميشود. در زمان پيچيدن كه سرعت چرخهاي محرك با يكديگر متفاوت ميشود، چرخدندههاي عنكبوتي تعبيهشده در ديفرانسيل وظيفه 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. اگر سطح جاده خشك باشد يا چرخهاي محرك بهطور عادي روي سطح جاده قرار داشته باشند، توزيع برابر گشتاور هيچ اشكالي ايجاد نميكند؛ اما زمانيكه سطح جاده لغزنده باشد، گشتاور بيشتر بهسمت چرخي انتقال مييابد كه مقاومت كمتري دارد (ميلغزد و اصطكاك كمتري دارد).
در حالت عادي، بيشترين ميزان گشتاور قابلانتقال به چرخها بهوسيله پيشرانه و جعبهدنده و ديفرانسيل محدود ميشود؛ اما در حالت لغزندگي جاده، بيشترين ميزان گشتاور قابلاعمال مقداري است كه چرخ دچار لغزش (ليز خوردن) نشود. در اين حالت، گشتاور انتقالي به چرخها بايد بهاندازهاي باشد كه چرخ دچار لغزيدن نشود و كنترل و هدايت خودرو ميسر باشد. بههميندليل، بعضي رانندگان در شرايطي كه سطح جاده يخ زده باشد، بهجاي استفاده از دنده يك، براي شروع حركت از دنده دو يا سه استفاده ميكنند؛ چراكه در اين حالت گشتاور كمتري به چرخها اعمال ميشود و درنتيجه، احتمال سُرخوردن بهحداقل 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. همانطوركه در قسمت پيشين اشاره شد، بيشترين ميزان گشتاور قابلانتقال 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 ازطريق ديفرانسيل باز به چرخ محركي منتقل ميشود كه روي سطح لغزنده قرار دارد، درنتيجه 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 درنتيجه، حركت خودرو دچار اشكال ميشود. براي حل اين معضلات ديفرانسيل لغزش محدود (Limited Slip Differential) ساخته شد كه درادامه، آن را معرفي ميكنيم.
ديفرانسيل لغزش محدود
ديفرانسيل باز همواره مقدار گشتاور يكساني به هركدام از چرخها اعمال ميكند. دو عامل وجود دارد كه مقدار گشتاور اعمالشده روي چرخها را تعيين ميكند: تجهيزات و چسبندگي. در شرايط خشك و زمانيكه چسبندگي زيادي وجود داشته باشد، مقدار گشتاور اعمالشده به چرخها بهواسطه پيشرانه و جعبهدنده محدود ميشود؛ اما در شرايطي كه چسبندگي كم باشد (مانند هنگام رانندگي روي يخ)، گشتاور بهاندازهاي تنظيم ميشود كه باعث شود چرخ نلغزد. بنابراين، حتي اگر خودرو گشتاور بيشتري هم توليد كند، لازم است چسبندگي كافي وجود داشته باشد تا بتواند اين گشتاور را به زمين انتقال دهد. اگر بعد از اينكه چرخها شروع به لغزش كنند بيشتر گاز دهيم، چرخها با سرعت بيشتري شروع به هرزگردي ميكنند.
اگر تابهحال روي يخ رانندگي كرده باشيد، ممكن است با ترفندهايي آشنا باشيد كه شتابگيري را در چنين شرايطي آسان ميكنند. اگر بهجاي شروع حركت با دنده يك، خودرو را در دنده دو يا سه قرار دهيم، خودرو بهتر روي يخ حركت ميكند؛ چراكه گشتاور كمتري در دندههاي بالا دردسترس خواهد بود و باعث ميشود چرخها بدون هرزگردي شروع به چرخش كنند.
اگر يكي از چرخها چسبندگي خوبي داشته باشد (مثلا روي آسفالت) و ديگري روي يخ حركت كند، چه اتفاقي ميافتد؟ بازهم ديفرانسيلهاي باز در اين شرايط به اشكال برخورد ميكنند و بايد فكري براي عملكرد آنها در شرايط آبوهوايي نامساعد كرد. ديفرانسيل باز هميشه گشتاور يكساني روي هر دو چرخ اعمال ميكند و حداكثر مقدار گشتاور به بزرگترين مقداري محدود است كه چرخها را دچار لغزش نكند. وقتي چسبندگي چرخها با يكديگر مساوي نباشد، چرخ روي آسفالت گشتاور كمتر و چرخ روي يخ گشتاور بيشتري دريافت ميكند؛ درنتيجه چرخ روي يخ هرزگردي ميكند؛ ولي چرخ روي آسفالت بدون حركت باقي ميماند و خودرو نيز حركت نخواهد كرد.
يكي ديگر از اوقاتي كه ديفرانسيل باز با اشكال روبهرو ميشود، هنگام رانندگي آفرود يا خارج از آسفالت است. اگر براي رانندگي در چنين مسيرهايي از خودرو چهار چرخ محرك يا شاسي بلند مجهز به ديفرانسيل باز در جلو و عقب استفاده كنيم، در جاهاي زيادي زمينگير خواهيم شد. بهخاطر بسپاريد كه ديفرانسيل باز هميشه گشتاور يكساني روي هر دو چرخ اعمال ميكند. اگر يكي از چرخهاي جلو و عقب از روي زمين بلند شوند، آنها بدون توقف شروع به چرخش ميكنند و خودرو نميتواند حركت كند.
راهحل اين اشكالات ديفرانسيل لغزش محدود (LSD) است كه گاهي اوقات پوزيتركشن ناميده ميشود. ديفرانسيل لغزش محدود از مكانيزمهاي مختلفي استفاده ميكند. هنگامي كه يكي از چرخها شروع به لغزش كند، ديفرانسيل لغزش محدود گشتاوري بيشتري به چرخ مقابل (چرخ داراي چسبندگي بيشتر) انتقال ميدهد تا خودرو بتواند به حركتش ادامه دهد.
در بخشهاي بعدي، جزئيات بيشتري از انواع مختلف ديفرانسيلهاي لغزش محدود ارائه ميشود. ازجمله اين ديفرانسيلها ميتوان به انواع لغزش محدود نوع كلاچي، كوپلينگ ويسكوز (Viscous Coupling) و ديفرانسيل تورسن (Torsen) اشاره كرد.
ديفرانسيل لغزش محدود نوع كلاچي
ديفرانسيل لغزش محدود نوع كلاچي (Clutch-type LSD) احتمالا رايجترين مدل ديفرانسيل لغزش محدود است. نوع كلاچي اجزاي يكساني با ديفرانسيل باز دارد، با اين تفاوت كه تعدادي فنر و مجموعهاي از چنگكهاي اضافه دارد. بعضي از اين ديفرانسيلها كلاچ مخروطي دارند كه دقيقا شبيه مكانيزم سنكرونايزر (Synchronizer) در جعبهدنده دستي عمل ميكند.
فنرها چرخدندههاي جانبي را به چنگكها فشار ميدهند و چنكگها نيز بهنوبه خود به هوزينگ متصل هستند. هنگامي كه هر دو چرخ خودرو در مسير مستقيم حركت ميكنند، چرخدندههاي جانبي (هرزگردها) همراهبا هوزينگ ميچرخند و به استفاده از كلاچ نيازي نيست. كلاچ زماني وارد عمل ميشود كه يكي از چرخها بخواهد با سرعت بيشتري از ديگري حركت كند؛ مثلا هنگامي كه خودرو ميخواهد بپيچد.
در اين شرايط، كلاچ با چنين حركتي مخالفت ميكند و ميخواهد سرعت هر دو چرخ يكسان باشد. اگر يكي از چرخها بخواهد سريعتر بچرخد، بايد ابتدا كلاچ را زير فشار قرار دهد و بر نيروي فنرهاي آن غلبه كند. سختي فنرها همراه با اصطكاك مشخص ميكند كه چه ميزان گشتاور براي غلبه بر كلاچ لازم است.
بار ديگر به وضعيتي برميگرديم كه در آن يكي از چرخهاي محرك روي يخ است و ديگري چسبندگي خوبي دارد. در اين شرايط، اگر از ديفرانسيل لغزش محدود نوع كلاچي استفاده كنيم، حتي اگر چرخ روي يخ نتواند گشتاور زيادي به زمين منتقل كند، چرخ ديگر هنوزهم گشتاور لازم را براي حركت دارد. گشتاور فراهمشده براي چرخي كه روي يخ قرار دارد، برابر با مقدار گشتاوري است كه براي غلبه بر كلاچها دريافت ميكند. نتيجه اين است كه خودرو ميتواند رو به جلو حركت كند؛ اگرچه هنوز تمام قدرت خروجي پيشرانه دردسترس نيست.
كوپلينگ ويسكوز
كوپلينگ ويسكوز (Viscous Coupling) اغلب در وسايل نقليه تمامچرخ محرك استفاده ميشود. معمولا براي اتصال چرخهاي عقب به چرخهاي جلو از كوپلينگ ويسكوز بهره برده ميشود؛ بنابراين، هنگامي كه مجموعهاي از چرخها (محور جلو يا عقب) شروع به لغزش كند، گشتاور به مجموعه ديگر منتقل خواهد شد.
كوپلينگ ويسكوز دو مجموعه صفحه در داخل هوزينگ دارد كه با سيال غليظي پر ميشود. هوزينگ كاملا دربرابر بيرون درزگيري ميشود و مايع نميتواند از آن خارج شود. يك مجموعه از صفحات به هر شفت خروجي متصل شده است. در شرايط عادي، مجموعه صفحات و سيال هر دو با سرعت مساوي ميچرخند.
هنگامي كه يك مجموعه از چرخها سعي ميكند سريعتر بچرخد (شايد بهدليل لغزش)، مجموعه صفحات مربوط به آن چرخها سريعتر از ديگري شروع به چرخيدن ميكنند. سيال كه بين صفحات گير كرده است، تلاش ميكند با ديسكهاي سريعتر درگير شود و حركت آنها را كُندتر كند و آنها را بهسمت ديسكهاي كُندتر بكشاند؛ درنتيجه، گشتاور بيشتري به چرخهاي كُندتر (چرخهايي كه لغزش ندارند) منتقل ميشود.
هنگامي كه خودرو ميپيچد، تفاوت سرعت در ميان چرخها بهاندازهاي بزرگ نيست كه يكي از چرخها ميلغزد. هرچه صفحات درمقايسهبا يكديگر سريعتر حركت كنند، كوپلينگ ويسكوز گشتاور بيشتري انتقال ميدهد. هنگام چرخيدن خودرو كوپلينگ مداخله نميكند؛ زيرا مقدار گشتاور منتقلشده در زمان پيچيدن خيلي كوچك است. بااينحال، كوپلينگ ويسكوز معايبي هم دارد. براي مثال، تا زمانيكه چرخ واقعا شروع به لغزيدن نكند، انتقال گشتاور رخ نخواهد داد و اين يكي از معايب مهم چنين ديفرانسيلهايي بهشمار ميرود.
آزمايشي ساده با يك تخممرغ به توضيح رفتار كوپلينگ ويسكوز كمك ميكند. اگر تخممرغي را روي ميز آشپزخانه قرار دهيد، پوسته و زرده هر دو ساكن ميايستند. اگر بهطور ناگهاني تخممرغ را بچرخانيد، پوسته تقريبا بهمدت يك ثانيه سريعتر از زرده ميچرخد؛ اما زرده بهسرعت خود را با پوسته همسرعت ميكند، با اين تفاوت كه پس از ايستادن پوسته، زرده هنوزهم كمي ميچرخد.
براي اثبات اينكه زرده در حال چرخش است، تخممرغي را بچرخانيد و سپس آن را متوقف كنيد. ميبينيد كه تخممرغ دوباره شروع به چرخش ميكند؛ مگر اينكه كاملا آبپز شده باشد. در اين آزمايش، از اصطكاك بين پوسته و زرده براي اعمال نيرو به زرده استفاده كرديم و سرعت آن را افزايش داديم. هنگامي كه پوسته را متوقف كنيم، اصطكاك هنوز بين زرده و پوسته وجود دارد و نيروي به پوسته اعمال ميكند كه باعث ميشود كمي سرعت بگيرد. در كوپلينگ ويسكوز نيز نيرو بين سيال و مجموعه صفحات به همين شيوه زرده و پوسته تخممرغ عمل ميكند.
ديفرانسيل تورسن
ديفرانسيل تورسن (Torsen) دستگاهي كاملا مكانيكي است كه در آن هيچگونه تجهيزات الكترونيكي و كلاچ و سيال (ويسكوز) وجود ندارد. تورسن از تركيب ابتداي كلمات Torque Sensing بهدست آمده و در شرايطي كه گشتاور روي هر دو چرخ برابر باشد، شبيه ديفرانسيل باز عمل ميكند.
بهمحض اينكه يكي از چرخها چسبندگي خود را از دست دهد، تفاوت گشتاور باعث ميشود چرخدندههاي ديفرانسيل تورسن باهم درگير شوند. طراحي دندهها در اين نوع ديفرانسيل، نسبت جهتگيري گشتاور را تعيين ميكند. بهعنوان مثال، اگر ديفرانسيل خاصي با نسبت جهتگيري ۱:۵ طراحي شده باشد، آن را قادر ميسازد تا پنج برابر گشتاور بيشتري به چرخي وارد كند كه چسبندگي خوبي دارد.
ديفرانسيل تورسن اغلب در وسايل نقليه تمامچرخ محرك و با عملكرد زياد استفاده ميشود. مانند ديفرانسيل نوع كوپلينگ ويسكوز، آنها اغلب براي انتقال قدرت بين چرخهاي جلو و عقب استفاده ميشوند. در اين متخصصد، نوع تورسن بر كوپلينگ ويسكوز برتري دارد؛ زيرا قبل از اينكه لغزش واقعي رخ دهد، گشتاور را به چرخهاي ثابت انتقال ميدهد.
بااينحال، اگر مجموعهاي از چرخها كاملا چسبندگي خود را از دست دهد، ديفرانسيل تورسن نميتواند براي مجموعه چرخهاي ديگر گشتاور فراهم كند. نسبت جهتگيري ديفرانسيل تعيين ميكند كه چه مقدار گشتاور ميتواند منتقل شود و پنج برابر صفر بهطور مشخص صفر ميشود؛ درنتيجه، هيچ گشتاوري در اين شرايط منتقل نخواهد شد.
ديفرانسيل قفلشونده
ديفرانسيل قفلشونده براي وسايل نقليه آفرود بسيار مفيد است. در اين نوع، همان قطعات ديفرانسيل باز وجود دارد؛ اما مكانيزم الكتريكي يا بادي يا هيدروليكي براي قفلكردن دو دنده هرزگرد هم به آن اضافه ميشود. مكانيزم يادشده معمولا با سوئيچ بهصورت دستي فعال ميشود يا هنگامي كه هر دو چرخ با سرعت يكساني بچرخند. اگر يكي از چرخها از روي زمين بلند شود، در حركت چرخ ديگر اشكالي ايجاد نخواهد شد؛ درنتيجه، هر دو چرخ با سرعت يكسان به چرخيدن ادامه خواهند داد؛ بهطوريكه انگار هيچچيزي تغيير نكرده است.
ديفرانسيل توزيع گشتاور
توزيع گشتاور يا «Torque Vectoring» فناوري استفادهشدهاي در ديفرانسيل خودرو است كه توانايي تغيير گشتاور را در هر نيممحور با يك سيستم الكترونيكي دارد. اين روش انتقال نيرو اخيرا در خودروهاي چهارچرخ محرك رايج شده است. برخي از خودروهاي جديد ديفرانسيل جلو نيز از ديفرانسيل توزيع گشتاور پايه بهره ميبرند. با پيشرفت فناوري در صنعت خودرو، خودروهاي بيشتري به ديفرانسيل توزيع گشتاور مجهزند. اين فناوري اجازه ميدهد تا چرخها براي شروع حركت و هندلينگ، چسبندگي بهتري با جاده داشته باشند.
عبارت «Torque Vectoring» را اولين بار Ricardo در سال ۲۰۰۶ در ارتباط با فناوريهاي پيشرانه آنها استفاده كرد. ايده توزيع گشتاور براساس اصول اوليه كاركرد ديفرانسيل استاندارد است. ديفرانسيل توزيع گشتاور وظايف ديفرانسيل ساده را انجام ميدهد؛ درحاليكه گشتاور را بهطور مستقل بين چرخها منتقل ميكند. اين قابليت انتقال گشتاور تقريبا در هر شرايطي هندلينگ و كشش را بهبود ميبخشد.
ديفرانسيلهاي توزيع گشتاور در اصل در مسابقات استفاده ميشد و خودروهاي رالي ميتسوبيشي اولين خودروهايي بودند كه از اين فناوري استفاده كردند. اين فناوري بهآرامي توسعه يافت و هماكنون، در انواع كمي از خودروهاي توليدي در حال پيادهسازي است. امروزه رايجترين متخصصد توزيع گشتاور در خودروها در خودروهاي چهارچرخ محرك است.
ايده و اجراي توزيع گشتاور هر دو پيچيده هستند. هدف اصلي توزيع گشتاور تغيير گشتاور بهطور جداگانه در هر چرخ است. ديفرانسيلها بهطوركلي فقط از اجزاي مكانيكي تشكيل شدهاند. ديفرانسيل توزيع گشتاور علاوهبر اجزاي مكانيكي استاندارد، به سيستم نظارت الكترونيكي نيز نياز دارد. اين سيستم الكترونيكي زمان و چگونگي تغيير گشتاور را براي ديفرانسيل مشخص ميكند. باتوجهبه تعداد چرخهايي كه نيرو دريافت ميكنند، ديفرانسيل جلو يا عقب كمي پيچيدهتر از ديفرانسيل چهار چرخ محرك است.
تأثير توزيع گشتاور توليد گشتاور انحرافي ناشي از نيروهاي طولي و تغيير مقاومت جانبي ايجادشده هر تاير است و اعمال نيروي طولي بيشتر مقاومت جانبي قابلايجاد را كاهش ميدهد. شرايط خاص رانندگي تعيين ميكند كه چگونه بين افزايش يا كاهش شتاب جانبي مصالحه شود. اين عملكرد مستقل از فناوري است و ميتواند با دستگاههاي انتقال قدرت براي سيستم محركه معمولي يا با منابع گشتاور الكتريكي بهدست آيد. سپس، عنصر عملي ادغام با عملكردهاي پايداري ترمز براي سرگرمي و ايمني مطرح ميشود.
محرك جلو يا عقب
ديفرانسيلهاي توزيع گشتاور در خودروهاي ديفرانسيل جلو يا عقب خيلي پيچيده نيستند؛ اما مزايايي مشابه ديفرانسيلهاي چهار چرخ محرك دارند. گشتاور ديفرانسيل فقط بين دو چرخ متفاوت است. سيستم نظارت الكترونيكي فقط دو چرخ را رصد ميكند و پيچيدگي كمتري دارد. در خودرو ديفرانسيل جلو، بايد چند فاكتور در انديشه متخصصين گرفته شود. بهعنوان مثال، سيستم نظارت بايد چرخش و زاويه فرمان چرخها را كنترل كند.
ازآنجاكه اين عوامل در هنگام رانندگي متفاوت هستند، نيروهاي مختلفي روي چرخها اعمال ميشود. ديفرانسيل بر اين نيروها نظارت و برايناساس گشتاور را تنظيم ميكند. بسياري از ديفرانسيلهاي خودروهاي محرك جلو ميتوانند گشتاور منتقلشده به چرخ خاصي را افزايش يا كاهش دهند. اين قابليت باعث افزايش توانايي خودرو براي حفظ كشش در شرايط بد آبوهوايي ميشود.
هنگامي كه يك چرخ شروع به لغزش ميكند، ديفرانسيل ميتواند گشتاور آن چرخ را كاهش دهد و چرخ بهطور موثري ترمز كند. همچنين، ديفرانسيل گشتاور را به چرخ مقابل منتقل ميكند و گشتاور آن را افزايش ميدهد و به تعادل قدرت خروجي و ثبات حركتي خودرو كمك ميكند. ديفرانسيل توزيع گشتاور در خودروهاي محرك عقب نيز مشابه عملكرد آن در خودروهاي ديفرانسيل جلو عمل ميكند.
خودرو تمامچرخ محرك
بيشتر ديفرانسيلهاي توزيع گشتاور روي خودروهاي چهارچرخ محرك استفاده شدهاند. در ديفرانسيل توزيع گشتاور ساده، گشتاور بين چرخهاي جلو و عقب متفاوت است. اين يعني در شرايط عادي رانندگي، چرخهاي جلو درصد معيني از گشتاور پيشرانه و چرخهاي عقب بقيه آن را دريافت ميكنند. درصورت نياز، ديفرانسيل ميتواند گشتاور بيشتري بين چرخهاي جلو و عقب منتقل كند تا عملكرد خودرو بهبود يابد.
بهعنوان مثال، در حالت استاندارد ۹۰ گشتاور توليدي خودرو ميتواند به چرخهاي جلو و ۱۰ درصد باقيمانده به چرخهاي عقب برسد. درصورت لاخبار تخصصي، ديفرانسيل توزيع گشتاور را به پنجاهپنجاه تغيير ميدهد. اين توزيع جديد گشتاور را بهطور يكنواخت بين هر چهار چرخ پخش ميكند. داشتن ديفرانسيل توزيع گشتاور حتي باعث افزايش كشش خودرو ميشود.
ديفرانسيلهاي توزيع گشتاور پيشرفتهتري نيز وجود دارند. اين ديفرانسيلها براساس انتقال گشتاور اصلي بين چرخهاي جلو و عقب عمل و قابليت انتقال گشتاور بين چرخهاي جداگانه را نيز اضافه ميكنند. اين روش مؤثرتري براي بهبود ويژگيهاي جابهجايي ارائه ميدهد. ديفرانسيل روي هر چرخ بهطور مستقل نظارت و گشتاور موجود را مطابق با شرايط لحظهاي توزيع ميكند.
خودروهاي الكتريكي
در خودروهاي برقي، سيستم چهارچرخ محرك معمولا با دو موتور الكتريكي مستقل (يكي براي هر محور) اجرايي ميشود. در اين حالت، توزيع گشتاور بين محورهاي جلو و عقب فقط كنترل الكترونيكي توزيع قدرت بين دو موتور برقي است كه ميتواند در مقياس ميليثانيه انجام شود.
در خودروهاي الكتريكي داراي سه يا چهار موتور، حتي ميتوان توزيع گشتاور دقيقتري بهصورت الكترونيكي اعمال كرد. بدينصورت كه در حالت چهارموتوره، كنترل گشتاور هر چرخ در هر ميليثانيه انجام ميشود و در حالت سهموتوره نيز، كنترل هركدام از چرخهاي داراي موتور بهصورت لحظهاي و محور داراي موتور نيز جداگانه بهصورت لحظهاي كنترل خواهد شد.
اگر ديفرانسيل توزيع گشتاور ازطريق دو موتور الكتريكي فعال شود كه روي يك محور قرار دارند، حتي ميتواند مؤثرتر هم باشد؛ زيرا اين پيكربندي ميتواند براي كمك به ويژگيهاي كمفرماني خودرو و بهبود واكنش گذراي خودرو استفاده شود. وانت برقي تسلا سايبرتراك (برنامهريزيشده براي توليد در سال ۲۰۲۲ ) خودرو برقي سهموتوره با يك محور با دو موتور است؛ درحاليكه در وانت برقي ريوين R1T (برنامهريزيشده براي توليد در سال ۲۰۲۱) از دو موتور در هركدام از محورهاي جلو و عقب بهره برده ميشود.
علاوهبر ديفرانسيلهاي يادشده، ديفرانسيلهاي ديگري نيز وجود دارند كه نام آنها كمتر به گوش كسي خورده است. درادامه، با اين ديفرانسيلها هم آشنا خواهيم شد.
ديفرانسيل اپيسيكليك
ديفرانسيل اپيسيكليك (Epicyclic) از چرخدندههاي اپيسيكليك براي تقسيم گشتاور بهره ميبرد و گشتاور را بين دو محور جلو و عقب تقسيم ميكند. ديفرانسيل اپيسيكليك در قلب سيستم انتقال قدرت خودرو تويوتا پريوس استفاده شد كه در آن، پيشرانه و موتور الكتريكي و چرخهاي محرك را بههم متصل ميكند. در اين خودرو، از ديفرانسيل دوم براي تقسيم گشتاور معمولي بين چرخهاي يك محور استفاده ميشود. مزيت اين ديفرانسيل طراحي نسبتا جمعوجور در طول محور است.
چرخدندههاي اپيسيكليك بهعنوان چرخدندههاي سيارهاي هم ناميده ميشوند؛ زيرا محور چرخدندههاي سيارهاي در اطراف محور مشترك دنده خورشيدي و رينگي چرخانده ميشود كه آنها را به يكديگر متصل ميكند. در تصوير، محور زردرنگ دنده خورشيدي را نشان ميدهد كه تقريبا پنهان بهانديشه متخصصين ميرسد. چرخدندههاي آبيرنگ دندههاي سيارهاي هستند و چرخدنده صورتيرنگ رينگي است. از چرخدنده رينگي در دنده سراستارت روي فلايويل پيشرانه خودرو هم استفاده ميشود.
ديفرانسيل دنده مستقيم
ديفرانسيل دنده مستقيم (Spur-Gear Differential) با درگيركردن دندههاي سيارهاي دو مجموعه دنده ايپيسيكليك هممحور ساخته ميشود. پوسته ديفرانسيل بهعنوان قفسه براي مجموعه دنده سيارهاي عمل ميكند. در اين نوع ديفرانسيل، دو دنده مستقيم هماندازه وجود دارد كه با فاصله كمي از يكديگر، هركدام روي يك نيمشفت قرار گرفتهاند. بهجاي دندههاي مورب در بخش مركزي ديفرانسيل، قفسه دوّاري روي هر محور بهعنوان شفت وجود دارد. گشتاور خروجي از محرك اوليه يا جعبهدنده شبيه محور محرك خودرو قفسه را ميچرخاند.
روي اين قفسه يك يا چند جفت پينيون يا دنده هرزگرد يكسان وجود دارد كه عموما طول آنها بزرگتر از قطرشان است و معمولا كوچكتر از دندههاي مستقيم روي نيمشفتها هستند. هركدام از پينيونها بهطور آزادانه روي پينهاي نصبشده در قفسه دَوَران ميكنند. علاوهبراين، جفت پينيونها بهطور محوري جابهجا ميشود؛ بنابراين، بهاندازه بخشي از طول آنها كه بين دو چرخدنده مستقيم قرار گرفته است، درگير ميشوند و در جهت مخالف يكديگر ميچرخند.
طول باقيمانده هركدام از پينيونها با نزديكترين چرخدنده مستقيم خود درگير ميشود؛ بنابراين، هركدام از پينيونها چرخدنده مستقيم نزديك خود را به پينيون مقابل متصل ميكند و آن هم بهنوبه خود، چرخدنده مستقيم نزديكتر را ميچرخاند. پس، هنگامي كه محور محرك جعبهدنده قفسه را ميچرخاند، ارتباط آن با تكتك محورهاي چرخ دقيقا شبيه ديفرانسيل باز مجهز به دنده مورب است.
ديفرانسيل دنده مستقيم از دو مجموعه دنده اپيسيكليك يا سيارهاي يكسان و هممحور ساخته شده است كه روي قفسه واحدي نصب شدهاند و دندههاي سيارهاي آنها باهم درگير هستند. ديفرانسيل دنده مستقيم مجموعه سيارهاي تشكيل ميدهد كه در آن قفسه ثابت شده و نسبت دنده آنها R = -۱ است. در اين حالت، فرمول اصلي براي مجموعه دنده سيارهاي بهشكل زير محاسبه ميشود:
بنابراين، سرعت زاويهاي قفسه (c) ديفرانسيل دنده مستقيم ميانگين سرعت زاويهاي چرخدندههاي خورشيدي (a) و رينگي (a) است. در مباحثه درباره ديفرانسيل دنده مستقيم، استفاده از عبارت چرخدنده رينگي (Annular Gear) روشي مناسب براي تشخيصدادن چرخدندههاي خورشيدي دو مجموعه دنده اپيسيكليك يا سيارهاي است. دنده خورشيدي دوم متخصصد مشابهي با دنده رينگي يك مجموعه دنده سيارهاي ساده دارد؛ اما بهوضوح جفتِ چرخدنده داخلي ندارد كه در دنده رينگي معمولي ديده ميشود.
سيستم كنترل چسبندگي
يكي از عوارض جانبي و نامطلوب ديفرانسيل باز اين است كه ميتواند چسبندگي را در شرايطي كه حالت ايدئال وجود ندارد، محدود كند.
گشتاور اعمالشده به هريك از چرخهاي محرك خودرو نتيجه تلاش پيشرانه و جعبهدنده و محور محرك براي اعمال نيروي دَوَراني دربرابر مقاومت چسبندگي روي چرخ است. در دندههاي پايينتر و درنتيجه سرعتهاي كمتر، مگر اينكه بار فوقالعاده بسيار زياد باشد، سيستم انتقال قدرت ميتواند گشتاور موردنياز را فراهم كند. درنتيجه، عامل محدودكننده در اين شرايط چسبندگي زير هر چرخ خواهد بود؛ بنابراين، بهتر است چسبندگي را بهعنوان مقدار نيرويي تعريف كنيم كه ميتواند بين سطح تاير و جاده منتقل شود، قبل از اينكه چرخ شروع به لغزش كند.
اگر گشتاور اعمالشده به يكي از چرخهاي محرك بيش از آستانه چسبندگي باشد، آن چرخ دَوَران خواهد كرد و درنتيجه، گشتاور فقط براي چرخ ديگر فراهم ميشود؛ گشتاوري كه با اصطكاك موجود در چرخ لغزنده برابري ميكند. چسبندگي خالص كاهشيافته هنوزهم براي حركت آرام خودرو كافي خواهد بود.
ديفرانسيل باز (بدون قفل يا سيستم كنترل چسبندگي) هميشه گشتاور تقريبا برابري براي هر سمت خودرو فراهم ميكند. براي اينكه بفهميد چگونه ميتوان گشتاور اعمالشده به چرخهاي محرك را محدود كرد، خودرو محرك عقب بسيار سادهاي را در انديشه متخصصين بگيريد كه يكي از چرخهاي آن روي آسفالت (چسبندگي خوب) و ديگري روي يخ (چسبندگي بسيار ضعيف) قرار دارد.
در اين شرايط، ديفرانسيل مانند هميشه گشتاور را بهطور يكنواخت بين چرخهاي دو سمت تقسيم ميكند؛ اما چرخي كه روي يخ قرار دارد، بهدليل چسبندگي كمتر نميتواند گشتاور دريافت كند و شروع به لغزش خواهد كرد. اين در حالي است كه چرخ روي آسفالت با وجود چسبندگي زياد، گشتاور يكساني دريافت ميكند؛ البته اين ميزان گشتاور يكسان صفر خواهد بود و درنتيجه، خودرو اصلا حركت نميكند.
براساس بار، شيب و...، خودرو به مقدار گشتاور خاصي براي حركتكردن بهسمت جلو نياز دارد. ازآنجاكه ديفرانسيل باز ميزان گشتاور كلي اعمالشده به هر دو چرخ محرك را به ميزان دو برابر استفادهشده چرخ داراي چسبندگي كمتر محدود ميكند، وقتي يكي از چرخها روي سطحي لغزنده قرار بگيرد، گشتاور كلي اعمالشده به چرخهاي محرك كمتر از حداقل گشتاور موردنياز براي حركتدادن خودرو خواهد بود.
يكي از روشهاي جايگزين كه براي توزيع قدرت بين چرخها پيشنهاد شده، استفاده از مفهوم ديفرانسيل بدون دنده است كه پروواتيديس (Provatidis) آن را معرفي كرد. بااينحال، پيكربنديهاي مختلفي كه پيشنهاد شدهاند، بهانديشه متخصصين ميرسد شباهت زيادي به نوع «پين كشويي و بادامك»، مانند ZF B-70 موجود در مدلهاي اوليه فولكسواگن يا نوع ديفرانسيل توپي دارند.
بسياري از خودروهاي جديد از سيستم كنترل چسبندگي بهرهمندند. در اين خودروها، از ديفرانسيل باز همراه با سيستم ترمز ضدقفل استفاده ميشود كه با متوقف يا محدودكردن سرعت چرخ داراي لغزش، گشتاور اعمالشده به چرخ مخالف را افزايبش ميدهد. درنتيجه، عملكرد ديفرانسيل باز نيز بهبود مييابد و ميتواند در شرايط مختلف بهخوبي عمل كند. درحاليكه اين نوع سيستم كنترل چسبندگي بهاندازه ديفرانسيلهاي لغزش محدود يا قفلشونده مؤثر نيستند، بهتر از ديفرانسيل مكانيكي ساده بدون سيستم كنترل چسبندگي هستند.
ديفرانسيل فعال
يكي از فناوريهاي نسبتا جديد ديفرانسيل فعال كنترل الكترونيكي است. واحد كنترل الكترونيكي (ECU) از وروديهاي چند حسگر و زاويه ورودي فرمان و شتاب جانبي استفاده ميكند تا بتواند گشتاور را بهخوبي بين چرخهاي محرك تقسيم كند و درنتيجه، باعث كاهش رفتارهاي نامطلوب فرمانپذيري مانند كمفرماني شود.
ديفرانسيلهاي فعال كاملا يكپارچه در خودروهايي ازجمله فراري F430، ميتسوبيشي لنسر ايوولوشن، لكسوس RC F و GS F استفاده ميشوند و مدل بهكاررفته در چرخهاي عقب را ميتوان در آكورا RL مشاهده كرد. نسخه توليدشده ZF نيز در شاسي B8 آئودي S4 و آئودي A4 ارائه ميشود. فولكسواگن گلف GTI نسل هفتم نيز در تيپ پرفورمنس خود به قفل ديفرانسيل عرضي روي محور جلو با كنترل الكترونيكي مجهز است كه با نام VAQ شناخته ميشود.
كاربردهاي غيرخودرويي ديفرانسيل
ارابههاي جنوبنماي چيني ممكن است اولين متخصصد بسيار مهم ديفرانسيل باشند. ارابههاي يادشده عقربهاي داشتند كه دائما بهسمت جنوب اشاره ميكرد و مهم نبود كه ارابه هنگام حركت چگونه ميچرخيد؛ بنابراين، چينيها ميتوانستند از اين عقربه و مكانيزم ديفرانسيل بهعنوان نوعي قطبنما استفاده كنند.
دانشمندان حدس ميزنند كه مكانيزم ديفرانسيل بهكاررفته در ارابه به هرگونه تفاوت بين سرعت چرخش دو چرخ واكنش نشان و عقربه را بهدرستي در جهت جنوب حركت ميداد. بااينحال، چنين مكانيزمي بهاندازه كافي دقيق نبود و پس از چند كيلومتر حركتكردن، عقربه ميتوانست حتي به جهت مخالف نيز اشاره كند.
اولين استفاده كاملا تأييدشده از ديفرانسيل در ساعت ساخت جوزف ويليامسون در سال ۱۷۲۰ صورت گرفت. ويليامسون از اين ديفرانسيل براي اضافهكردن معادله زمان به زمان اصلي محلي بهمنظور ايجاد زمان خورشيدي استفاده كرد. چنين متخصصدي دقيقا شبيه خواندن ساعت آفتابي بود. در طول قرن هجدهم، از ساعتهاي آفتابي براي نشاندادن زمان «صحيح» استفاده شد؛ بهطوريكه ساعتهاي معمولي حتي اگر بهخوبي هم كار ميكردند، بايد بهطور مداوم تنظيم ميشدند.
دليل اين كار، تغييرات فصلي معادله زمان بود كه باعث نشاندادن زمان غيرواقعي در ساعتهاي معمولي آن دوران ميشد. ساعت ويليامسون و ساير ساعتهاي معادلهاي زمان ساعت آفتابي را بدون نياز به تنظيم مجدد نشان ميدادند. امروزه، زمان نشاندادهشده با ساعتهاي معمولي را «صحيح» و معمولا ساعتهاي آفتابي را نادرست ميدانيم؛ بنابراين، دستورالعملهاي زيادي براي چگونگي خواندن زمان واقعي اين ساعتها ارائه ميشود و بهكمك اين دستورالعملها، افراد ميتوانند زمان واقعي را از روي ساعت آفتابي بخوانند.
در نيمه اول قرن بيستم، رايانههاي آنالوگ مكانيكي موسوم به تحليلگرهاي ديفرانسيلي (Differential Analyzers) ساخته شدند. رايانههاي آنالوگ مكانيكي از مجموعه دنده ديفرانسيلي براي انجام اعمال رياضي ازجمله جمع و تفريق استفاده ميكردند. رايانه كنترل شليك اسحله Mk1 نيروي دريايي ايالات متحده آمريكا حدود ۱۶۰ ديفرانسيل از نوع دنده مورب بهره ميبرد.
مجموعه دنده ديفرانسيلي ميتواند براي اندازهگيري اختلاف بين دو محور ورودي استفاده شود. ماشينها اغلب از چنين چرخدندههايي براي اعمال گشتاور به محور مدانديشه متخصصين استفاده ميكنند. از اين نوع ديفرانسيلها معمولا در ساعتسازي استفاده ميشود تا دو سيستم تنظيم مجزا را با هدف ميانگينگيري خطاها بههم وصل كند. گروبل فورسي از ديفرانسيل براي اتصال دو سيستم گردابي دوگانه در گرداب چهارگانه ديفرانسيلي (Quadruple Differential Tourbillon) آنها استفاده كرد.
خودرو ديفرانسيل جلو چيست؟
حال كه با تقسيمبندي انواع ديفرانسيل در خودرو آشنا شديم، يكي از اصطلاحات متداولي را تعريف ميكنيم كه البته كمتر در مجامع علمي بهكار ميرود. به خودرو محرك جلو (FWD) كه ديفرانسيل آن در محور جلو قرار دارد، خودرو ديفرانسيل جلو يا محور جلو ميگويند. دراينميان، فرقي ندارد كه نوع ديفرانسيل بهكاررفته در محور جلو چه باشد. همچنين، به خودرو محرك عقب (RWD) كه ديفرانسيل آن در محور عقب قرار دارد، خودرو ديفرانسيل عقب يا محور عقب گفته ميشود.
خودرويي كه هر دو محور آن محرك ميشوند يا بهعبارتديگر، روي هر دو محور جلو و عقب آن ديفرانسيل وجود داشته باشد، چهارچرخ محرك (AWD/4WD) ميگويند؛ البته نوع چهارچرخ محرك (4WD) با نوع تمامچرخ محرك (AWD) تفاوت كوچكي باهم دارند. تفاوت آنها اين است كه خودرو تمامچرخ محرك بهصورت استاندارد هر دو محور آن درگير و محرك هستند؛ اما نوع چهارچرخ محرك در حالت عادي فقط يك محور (معمولا محور عقب) محرك است و در شرايط دشوار محيطي مانند رانندگي در مسيرهاي خارج از جاده، محور ديگر هم درگير ميشود.
ديفرانسيل ماشينهاي ايراني
در بازار ايران، با دو نوع خودرو ساخت داخل و خودرو وارداتي سروكار داريم كه نوع ديفرانسيل آنها باهم تفاوت خيلي زيادي ندارد. اكثر خودروهاي داخلي در سالهاي اخير از نوع ديفرانسيل جلو يا محرك جلو هستند؛ ازجمله محصولات سايپا (انواع پرايد، تيبا، ساينا و...) و محصولات ايرانخودرو (خانواده پژو، خانواده سمند، سورن و دنا).
از ميان خودروهاي قديمي ساخت داخل هم ميتوان به پيكان اشاره كرد كه از ديفرانسيل در محور عقب بهره ميبرد. در ميان خودروهاي وارداتي نيز، انواع خودروهاي كرهاي و ژاپني از ديفرانسيل جلو استفاده ميكنند؛ البته بعضي مدلهاي شاسيبلند و آفرود نيز در بازار وجود دارند كه از سيستم چهارچرخ محرك بهره ميبرند. آشناترين نمونه از خودروهاي چهارچرخ محرك در بازار ايران، نيسان پاترول است كه شركت پارس خودرو مونتاژ و به بازار عرضه ميكرد.
بهطوركلي، خودروهاي ديفرانسيل جلو يا محور جلو باتوجهبه حذف برخي قطعات ازجمله ميل گاردان، باعث صرفهجويي در هزينههاي سازنده و كاهش وزن نهايي خودرو ميشوند و همين عوامل باعث ميشود تا خودروسازان به استفاده از سيستم محرك جلو تمايل بيشتري داشته باشند. هرچند ظهور فناوريهاي جديد و استفاده از سيستمهاي الكترونيكي در صنعت خودرو باعث شده است تا معايب و اشكالات ديفرانسيلهاي صرفا مكانيكي قديمي در سالهاي اخير تا حدودي برطرف شود.
ارزش ديفرانسيل ماشين در ايران
در زمان نگارش اين مطلب (مهر ۱۴۰۰) ارزش قطعات خودرو ثبات چنداني ندارد و همانند ساير محصولات مرتبط، با نوسان ارزشي همراه است. بهعنوان مثال، ديفرانسيل خودرو پيكان در شرايط كنوني با ارزش حدود ۳ ميليون تومان، ديفرانسيل پژو روآ با ارزش ۳ ميليون و ۲۵۰ هزار تومان، ديفرانسيل پژو آردي ۳ ميليون و ۱۰۰ هزار تومان، ديفرانسيل وانت آريسان ۳ ميليون و ۴۰۰ هزار تومان، ديفرانسيل نيسان ۵ ميليون و ۵۰۰ هزار تومان و ديفرانسيل پرايد معمولي حدود ۷۰۰ هزار تومان است. توجه كنيد كه ارزشهاي ذكرشده مربوط به تاريخ انتشار مقاله است و احتمال دارد در آينده با تغييراتي روبهرو شود.
هم انديشي ها