دیفرانسیل و نحوه عملکرد آن

دیفرانسیل چیست؟

دیفرانسیل قطعه‌ای است در زیر خودرو بین دو چرخ جلو مانند اکثر خودرو های میتسوبیشی یا عقب مانند پراید که قدرت موتور را بین دو چرخ تقسیم می‌کند. بعضی ماشین‌ها دو دیفرانسیل هستند.

در اتومبیل یا دیگر وسائلی که دارای چرخ با نیروی محرکه هستند، دیفرانسیل‌ ها قسمتی از وسائل انتقال نیروی محرکه هستند که سبب می‌شوند چرخ‌ها با سرعت‌های مختلف و با نیرویی مساوی بچرخند. عملکرد دیفرانسیل انتقال حرکت از جعبه دنده به چرخ‌ها را بر عهده دارد.

از آغاز اختراع اتومبیل موضوع گردش سریع چرخ‌های عقب خودرو در سر پیچ‌ها فکر مهندسان را به خود مشغول کرده بود. چراکه در سر پیچ‌ها چرخی که در خارج پیچ است بایستی سریع‌تر از چرخی که در داخل پیچ است حرکت نمایند و اگر هر دوی چرخ‌ها در روی یک محور واحد سوار شوند ممکن نیست این عمل بدون واژگون شدن خودرو صورت گیرد.

حل این مشکل به وسیله دستگاهی به نام دیفرانسیل انجام گرفت. عملکرد دیفرانسیل : حرکت چرخ‌ها روی محور جداگانه‌ای به نام میل پلوس سوار می‌شود عمل دیفرانسیل تقسیم قدرت موتور به هر یک از چرخ‌ها است، بسته به احتیاج آن‌ها. یعنی در سر پیچ‌ها چرخی که در خارج است و بایستی دایره بزرگتری بزند قدرت بیشتری دریافت داشته و برعکس چرخ دیگر کمتر قدرت دریافت می‌دارد.”دیفرانسیل اتومبیل” در سال 1895 میلادی، توسط یک مخترع آلمانی به نام “هنری نبر” اختراع شد.

انواع دیفرانسیل خودرو

1. دیفرانسیل جلو یا FWD

این دیفرانسیل که در سال ۱۹۰۰ در فرانسه تولید شد وظیفه دارد قدرت موتور را به چرخ‌های جلو منتقل کند. این دیفرانسیل در ابتدای سال‌های تولید تنها در ماشین‌های مسابقه‌ای به استفاده می‌شد.

2. دیفرانسیل عقب یا RWD

یکی از قدیمی‌ترین دیفرانسیل‌ها، دیفرانسیل عقب می‌باشد. عملکرد دیفرانسیل این است که قدرت موتور را به محور عقب خودرو منتقل کند. اولین خودرو‌ها از این نوع دیفرانسیل استفاده می‌کردند.

3. دیفرانسیل چهار (تمام چرخ) یا AWD یا چهار چرخ محرک (4WD)

قدرت موتور در این دیفرانسیل به هر چهار چرخ منتقل می‌شود. در اصطلاح به این نوع دیفرانسیل «تمام چرخ دنده» نیز می‌گویند.

4. دیفرانسیل لغزش محدود با کنترل الکتریکی

نیروی خروجی از موتور در این دیفرانسیل هر ثانیه بین چر‌خ‌ها تنظیم می‌شود. این دیفرانسیل از نمونه‌های پیشرفته است. کنترل خودروهایی که این نوع دیفرانسیل را دارند آسانتر است. از مزایای این دیفرانسیل دقت و سرعت بالا و عملکرد بهتر است.

5. دیفرانسیل باز

این نوع دیفرانسیل یکی از ارزانترین دیفرانسیل‌های بازار محسوب می‌شود. دیفرانسیل باز نیروی خروجی از موتور را به دو جهت تقسیم می‌کند. هر کدام از این جهت‌ها توانایی چرخش با سرعت متفاوتی را دارند. یکی از معایب این دیفرانسیل عدم توانایی کنترل نیروی خروجی است مثلا اگر چرخی روی زمین نباشد تمام نیروی موتور به آن چرخ منتقل می‌شود و چرخی که روی زمین است بدون استفاده می‌ماند و قادر به حرکت نیست. این مشکل دیفرانسیل باز با استفاده از سیستم‌های باز کنترل می‌شود. این دیفرانسیل در بیشتر خودرو‌ها به جز آفرود و اسپرت بسیار پرکاربرد است. از مزایای این دیفرانسیل هزینه پایین و مناسب برای جاده‌های معمولی است. از معایب آن نیز می‌توان به انتقال قدرت به چرخی که کمترین کشش را دارد اشاره کرد.

6. دیفرانسیل قفل شونده

دیفرانسیل قفل شونده بیشتر در خودروهای آفرود به کار می‌رود. چرخ‌های متصل به این دیفرانسیل هنگام قفل شدن با سرعت برابر می‌چرخند و این به خودرو در عبور از مسیرهای سخت و ناهموار کمک می‌کند. سیستم‌های قفل شونده خودکار نیازی به دخالت راننده ندارند و زمانی که گشتاور کافی دریافت کنند به طور خودکار قفل می‌شوند. یکی از معایب قفل کننده‌های خودکار سر و صدای زیاداست. سیستم‌هایی که قفل دستی دارند معمولا بهتر عمل می‌کنند و هزینه آن نیز بالاتر است. برای قفل و باز شدن آن یک سوئیچ وجود دارد که به صورت هیدرولیکی یا الکتریکی قفل دیفرانسیل را کنترل می‌کند. در خودروهای آفرود از این سیستم استفاده می‌شود. از مزایای این دیفرانسیل می‌توان به شتاب و کارایی یکنواخت اشاره کرد.

7. دیفرانسیل لغزش محدود

عملکرد این دیفرانسیل مانند دیفرانسیل باز است اما پس از اینکه تشخیص دهد خودرو در لغزش است،‌ دیفرانسیل به طور خودکار قفل می‌شود. این دیفرانسیل از نمونه‌های پیشرفته دیفرانسیل‌های قفل شونده محسوب می‌شود.

8. دیفرانسیل تقیسم کننده گشتاور

این دیفرانسیل پیشرفته‌ترین دیفرانسیل در صنعت خودروسازی است. این دیفرانسیل‌ در خودروهای چهار چرخ محرک با استفاده از سنسور سرعت و شتاب سنج وضعیت پایداری خودرو را بررسی می‌کنند تا تقسیم نیرو بین چرخ‌ها به بهترین نحو احسنت صورت گیرد. این دیفرانسیل به فرمان‌پذیری و هندلینگ ماشین کمک می‌کند.

اهمیت دیفرانسیل و عملکرد آن

عملکرد دیفرانسیل و اصطکاک :

دیفرانسیل باز همواره گشتاورهای برابری را به هرکدام از چرخ ها منتقل می کند.

 دو عامل تعیین کننده بر مقدار گشتاور اعمالی به چرخ ها وجود دارد : تجهیزات و اصطکاک.

در محیط های خشک که به مقدار کافی اصطکاک وجود دارد ، مقدار گشتاور اعمالی به چرخ ها به وسیله موتور و چرخدنده ها محدود می شود. در محیط هایی که اصطکاک کم است مانند رانندگی بر روی یخ گشتاور اعمالی به بیشترین مقدار گشتاوری که از لغزیدن چرخ در این شرایط جلوگیری کند محدود است. بنابراین اگر چه موتور ماشین قابلیت تولید توان بیشتری را دارد اما باید اصطکاک کافی برای انتقال آن به زمین موجود باشد. اگر بعد از اینکه چرخ ها شروع به لغزیدن کردند بیشتر گاز بدهید فقط چرخ ها با سرعت بیشتری می چرخند.

حرکت روی لایه نازک یخ

اگر تا به حال بر روی یخ رانندگی کرده باشید ، شاید حقه ای را که به وسیله آن شتاب گیری آسان تر است فهمیده باشید. اگر به جای دنده یک با دنده دو و یا حتی دنده سه شروع به حرکت کنید به دلیل عملکرد چرخدنده ها در سیستم انتقال قدرت گشتاور کمتری به چرخ ها منتقل می شود و این امر امکان حرکت و شتاب گیری بدون لغزش چرخ ها را فراهم می آورد.   

حال اگر یکی از چرخ ها به اندازه کافی اصطکاک داشته باشد اما چرخ دیگر روی یخ باشد چه روی خواهد داد؟ این جایی است که مشکل دیفرانسیل باز ، خود نمایی می کند.

به خاطر بیاورید که دیفرانسیل باز گشتاور برابری را به هر کدام از چرخ ها منتقل می کند و حداکثر مقدار گشتاور محدود به بیشترین مقداری است که چرخ ها نلغزند. گشتاور بالایی برای لغزیدن چرخ روی یخ لازم نیست ، با این شرایط چرخ با اصطکاک مناسب همان مقدار گشتاور کم را که به چرخ دیگر منتقل می شود دریافت خواهد کرد که برای به حرکت درآمدن آن کافی نیست پس ماشین شما حرکت نخواهد کرد.

جدا شدن چرخ ها از زمین

یکی دیگر از مشکلات دیفرانسیل باز زمانی بروز می کند که چرخ های خودرو از جاده جدا شوند. اگر شما یک کامیون که قدرت به چهار چرخ اعمال می شود یا یک داشته باشید که هم محور عقب و هم محور جلو دیفرانسیل باز داشته باشند. به یاد بیاورید همان طور که قبل گفت، دیفرانسیل آزاد همواره گشتاورهای برابری را به چرخ ها منتقل می کند. اگر یکی از چرخ های عقب و یکی از چرخ های جلو از زمین جدا شوند ، این چرخ ها فقط در هوا به دور خود می چرخند ، پس قادر به حرکت نخواهید بود.

راه حل این مشکل دیفرانسیل لغزش محدود است که به آن پزیترکشن (positraction) نیز می گویند. دیفرانسیل لغزش محدود از مکانیزم‌های گوناگونی برای انجام عمل دیفرانسیل هنگام دور خودرو استفاده می‌کند. وقتی که یکی از چرخ ها لیز می خورد این دیفرانسیل این امکان را فراهم می کند که گشتاور بیشتری به چرخی که نمی لغزد منتقل شود.

در قسمت های بعدی بعضی از انواع دیفرانسیل لغزش محدود را تشریح خواهیم کرد. که شامل نوع کلاچی (LSD) ، کوپلینگ چسبناک ، دیفرانسیل قفل شدنی و تورسن (torsen) است.

وظیفه دیفرانسیل عبارت اند :

• فرستادن قدرت موتور به چرخ‌ها
• عملکرد به عنوان آخرین مرحله کاهش دنده در خودرو
• تغییر جهت نیرو

چرخ‌های خودرو با سرعت‌های متفاوت می‌چرخند به ویژه هنگام پیچیدن سر پیچ‌‌ها چرخ  داخلی نسبت به چرخ خارجی مسافت کمتری را می‌پیماید. از آن جایی که سرعت برابر است با نسبت جابه‌جایی بر زمان جابه‌جایی (V مساوی دلتا ایکس تقسیم بر دلتا T) پس چرخ داخلی نسبت به چرخ خارجی مسافت کمتری را می‌پیماید و  چرخی که مسافت کمتری جابه‌جا می‌شود سرعتش هم کمتر است. برای چرخ‌هایی که پیشران نیستند و نیروی موتور به ‌آن‌ها منتقل نمی‌شود، مشکلی پیش نمی‌آید. اما چرخ‌های پیشران به هم متصل هستند به طوری که یک موتور واحد و یک سیستم انتقال قدرت آن‌ها را به گردش در می‌آورد.

اگر ماشین دیفرانسیل ندارد، چرخ‌ها به همدیگر قفل می‌شوند و هنگام دور یکی از چرخ‌ها روی زمین می‌لغزد.

در خودروهایی که نیرو به چرخ منتقل می‌شود به این دلیل است که چرخ‌های جلو در زمان دور مسیر متفاوتی را نسبت به چرخ‌های عقب طی می‌کنند. بین هر دو چرخ یک دیفرانسیل لازم است و باید یک دیفرانسیل بین چرخ‌های عقب و یک دیفرانسیل بین چرخ‌های جلو باشد.

کاهش دور و افزایش گشتاور

برای افزایش قدرت گشتاور خودرو، دیفرانسیل باید گشتاور دریافتی را افزایش دهد که این کار در دیفرانسیل توسط پینیون و کرانویل انجام می‌شود. تعداد دنده‌های کرانویل نسبت به پینیون بیشتر است. نسبت تبدیل دیفرانسیل در خودروهای سواری حدود ۵/۳ تا ۵/۴ می‌باشد.

تغییر جهت نیرو در دیفرانسیل خودرو 

چون خط نیروی محرک و محور خروجی گیربکس در امتداد طول خودرو قرار گرفته‌اند و محورهای محرک چرخ‌های عقب در امتداد عرض هستند و باید نیرو تحت زاویه ۹۰ درجه به چرخ‌های متحرک منتقل شود، این کار توسط درگیری پینیون و کرانویل انجام می‌شود.

تنظیم دور هنگام دور زدن سرپیچ‌ها

حرکت خودرو در پیچ‌ها باعث دوران دنده‌های هرزگرد حول محورشان می‌شود، در این حالت سرعت دورانی پولوس‌ها مساوی نخواهد بود و هنگام پیچیدن چرخ داخلی پیچ تحت نیروی ثقل خودرو و نیروی که در اثر این عوامل به آن وارد می‌شود کمتر دوران می‌کند و چرخ خارجی که آزادی بیشتری دارد دوران بیشتری از چرخ داخلی دارد.

اجزای سیستم دیفرانسیل خودرو

• هوزینگ
• واشر مسی
• دنده پلوس
• هرزگرد
• کرانویل

هنگام طی مسیر منحنی چون چرخ داخلی مسیر کمتری را طی می‌کند، باید دور کمتری نسبت به چرخ خارجی بزند، در این حالت هرزگرد مربوط به دنده پلوس نمی‌تواند تمامی دنده را به دور جعبه دنده هوزینگ منتقل کند، سرعتش کم می‌شود، روی آن می‌لغزند و حول محور خود به دوران در می‌آید. این حرکت اضافی به دنده پلوس دیگر منتقل می‌شود و آن را با دور بیشتری می‌چرخاند.

چرخ خارجی که دور بیشتر و مسافت بیشتری را طی می‌کند، یادآور می‌شود که دنده هرزگرد فقط زمان طی مسیرهای منحنی یا دور زدن عمل نمی‌کند بلکه در مواقعی که به نحوی اصطکاک بین دو چرخ متفاوت باشد یا بار یکی از لاستیک‌ها از دیگر کمتر باشد عمل می‌کند، مانند زمانی که یکی از چرخ‌ها روی یخ قرار دارد.