دیفریل چگونه قدرت را در پیچ تقسیم می‌کند؟

همیشه چرخ خارجی خودرویی که وارد پیچ می‌شود مسافت طولانی‌تری را طی می‌کند؛ دیفرانسیل دقیقاً همین اختلاف سرعت را به‌آرامی مدیریت می‌کند.
همیشه چرخ خارجی خودرویی که وارد پیچ می‌شود مسافت طولانی‌تری را طی می‌کند؛ دیفرانسیل دقیقاً همین اختلاف سرعت را به‌آرامی مدیریت می‌کند.

این صفحه را به اشتراک بگذارید

دیفرانسیل یک مکانیزم دنده ای است که گشتاور تولیدشده توسط موتور را با تقسیم آن میان دو چرخ روی یک اکسل یکسان منتقل می کند و اجازه می دهد چرخ ها با سرعت های متفاوتی نسبت به یکدیگر بچرخند. چون چرخ خارجی خودرویی که وارد پیچ می شود مسیر طولانی تری نسبت به چرخ داخلی طی می کند، باید سریع تر بچرخد؛ دیفرانسیل این اختلاف سرعت را به صورت مکانیکی مدیریت می کند. و در این کار از یک قاعده اساسی پیروی می کند: سرعت دیگ سر (crown gear)، دقیقا میانگین سرعت دو چرخ است.

نکات برجسته

  • دیفرانسیل توان رسیده از شفت گیربکس را بین جفت چرخ چپ-راست توزیع می کند و اجازه اختلاف سرعت را می دهد.
  • معادله سرعت روشن است: سرعت اکسل برابر با میانگین سرعت دو چرخ است.
  • در دیفرانسیل معمولی (باز)، گشتاور همیشه به طور مساوی به هر دو چرخ منتقل می شود؛ چرخ با کمترین چسبندگی، حد آن را تعیین می کند.
  • سیستم دنده ای با سه درگیری دنده کار می کند و معمولا راندمانی در حدود ٪94-97 ارائه می دهد.
  • پتن استفاده خودروسانه آن در سال 1827 توسط اونزیفور پکور ثبت شد.

چرا دیفرانسیل باید وجود داشته باشد؟

می توانید مسئله را با یک آزمایش هندسی ساده حل کنید. تصور کنید خودرویی را در یک پیچ تنگ قرار می دهید: چرخ خارجی روی دایره ای بزرگ تر حرکت می کند؛ در حالی که چرخ داخلی دایره کوچک تر را دنبال می کند. چرخ خارجی که مجبور است در همان زمان مسیر طولانی تری را طی کند، باید سریع تر از چرخ داخلی بچرخد. این اختلاف بزرگ تر از چیزی است که تصور می کنید؛ هر چه شعاع پیچ کوچک تر شود، اختلاف سرعت بیشتر باز می شود.

دو چرخ را تصور کنید که به صورت صلب روی یک میله به هم متصل هستند. در این حالت، چرخ داخلی چون تلاش می کند سریع تر از مسیر خودش بچرخد، تحت فشار قرار گرفته و سر می خورد؛ و چرخ خارجی چون نمی تواند به اندازه کافی سریع بچرخد، کشیده می شود. این وضعیت نه تنها لاستیک را از پایه فرسوده می کند: بلکه در شفت های اکسل و تمام قطعات انتقال قدرت، تنش مداومی انباشته می کند. وسپ های کارتینگ و برخی ترامواها بدون دیفرانسیل کار می کنند، اما این ها طراحی هایی هستند که آگاهانه سر خوردن چرخ در پیچ را می پذیرند؛ در خودرو، این راه حل پایدار نیست.

به همین دلیل دیفرانسیل چهار وظیفه مجزا دارد: با کمک جفت پینیون و دیگ سر (ring gear)، جهت توان را حدودا 90 درجه تغییر دهد، توان را بین دو چرخ یک اکسل تقسیم کند، با کاهش دنده گشتاور را افزایش دهد و اجازه دهد دو چرخ با سرعت های متفاوتی نسبت به یکدیگر بچرخند. هر چهار مورد درون یک بدنه جمع و جور حل می شوند.

دیفرانسیل در پیچ چگونه توان را توزیع می کند؟

Virajda iç ve dış tekerlek farklı hızlarda döner; diferansiyel, gücü iki aks arasında akıllıca bölüştüren sessiz bir arabulucudur.

پاسخ در ساختار داخلی آن پنهان است. چرخش رسیده از گیربکس از طریق دنده پینیون به دیگ سر (ring gear) منتقل می شود؛ دیگ سر، قفس دیفرانسیل (carrier) را حمل می کند. دنده های سیاره ای کوچکی که درون قفس قرار دارند (دنده های عنکبوتی)، دو دنده خورشیدی (side gear) را به یکدیگر متصل می کنند و دنده های خورشیدی نیز گشتاور را به شفت های اکسل منتقل می کنند. بنابراین مسیر حرکت توان چنین است: پینیون، دیگ سر؛ دیگ سر، قفس؛ قفس، دنده های سیاره ای؛ دنده های سیاره ای، دو اکسل.

در حرکت مستقیم و در پیچ چه چیزی تغییر می کند؟

در جاده مستقیم، هر دو چرخ با مقاومت یکسانی روبرو می شوند و دنده های سیاره ای حول محور خودشان نمی چرخند؛ سیستم مانند یک جرم واحد عمل می کند و هر دو چرخ با سرعت رینگ گیر می چرخند. وقتی به پیچ چپ وارد می شوید، خورشیدی چپ سمت داخلی مقاومت بیشتری نشان می دهد. تفاوت مقاومت، پینیون های سیاره ای را حول محور خودشان می چرخاند و دقیقاً همین چرخش اضافی، چرخ داخلی را کند کرده و چرخ خارجی را با همان میزان تندتر می چرخاند. مکانیزم، تفاوت مقاومت را بلافاصله به تفاوت سرعت تبدیل می کند.

خلاصه ریاضی تمام اینها در یک خط است: سرعت چرخش اکسل برابر است با میانگین سرعت های دو چرخ. چرخ خارجی هر چقدر تندتر بچرخد، چرخ داخلی دقیقاً به همان اندازه کند می شود؛ مجموع حفظ می شود. این تقارن، منطق بنیادی است که دیفرانسیل را قابل فهم می کند.

از نظر بازده هم وضعیت خوب است: هر جفت تماس دنده ای حدود ٪1-2 تلفات ایجاد می کند. سیستمی که از گیربکس از طریق سه نقطه تماس به نیم محورها می رسد، معمولاً با بازده ٪94-97 کار می کند.

نقطه ضعف دیفرانسیل باز: چرا چرخ بی کار می چرخد؟

مهم ترین ویژگی دیفرانسیل باز این است که ساختاری دارد که گشتاور را به طور مساوی به هر دو چرخ منتقل می کند. این در پیچ بی خطر به نظر می رسد، اما در از دست رفتن کشش نتیجه جدی دارد: گشتاوری که به هر دو چرخ می رسد، تا سطحی که چرخ با کشش کمتر بتواند نگه دارد پایین می آید. به بیان ساده، ضعیف ترین چرخ کل اکسل را محدود می کند.

آن را ملموس کنیم. فرض کنید یک چرخ خودروی شما روی زمین یخ زده یا گلی و چرخ دیگر روی آسفالت خشک باشد. چرخ روی یخ نمی تواند بچسبد؛ دیفرانسیل باز قدرت را به همین چرخ بی کار هدایت می کند و چرخ روی زمین خشک که واقعاً می تواند کشش ایجاد کند، تقریباً قدرت صفر دریافت می کند. خودرو نمی تواند از جا بلند شود. برخلاف یک تصور رایج، قدرت به چرخ مقابل جاری نمی شود؛ بلکه برعکس، در چرخ لغزنده انباشته می شود.

در خروج از پیچ نیز همین فیزیک عمل می کند. هنگام خروج از پیچ با شتاب شدید، وزن خودرو به سمت بیرون جابه جا می شود؛ این باعث کاهش بار روی چرخ داخلی و در نتیجه کاهش کشش آن می شود. دیفرانسیل باز شروع به چرخاندن همین چرخ داخلی سبک شده می کند، گاز قطع می شود و شما افت قدرت را تجربه می کنید. معادل آن در رانندگی آشناست: وقتی داخل پیچ گاز می دهید، شتاب پیش روی شما یکباره قطع می شود و گشتاور بی راهه جاری می گردد.

تفاوت دیفرانسیل لغزش محدود (LSD) چیست؟

دیفرانسیل لغزش محدود، مصالحه منطقی میان دیفرانسیل باز و دیفرانسیل قفل شونده است: در شرایط عادی مثل دیفرانسیل باز رفتار می کند و وقتی تفاوت سرعت بین چرخ ها از حد مشخصی بگذرد، شروع به رفتار مثل دیفرانسیل قفل می کند. این انتقال معمولاً با یک پکیج کلاچ یا سیستم کوپلینگ ویسکوز (viscous coupling) فراهم می شود.

اگر به مثال یخ بالا برگردیم: وقتی یک چرخ شروع به لغزش می کند، LSD مانع از چرخش آزادانه بیش از حد چرخ لغزنده می شود و باعث انتقال گشتاور به چرخ روی زمین خشک نیز می گردد. در مثال پیچ نیز نتیجه چنین است: وقتی چرخ داخلی بخواهد بی کار بچرخد، سیستم کلاچ به دو طرف اکسل اصطکاک اعمال کرده و گشتاور را به چرخ خارجی هدایت می کند. قطع گاز رخ نمی دهد و شتاب خروج حفظ می شود. همین چسبندگی قابل پیش بینی، دلیل اصلی ترجیح LSD در خودروهای پرقدرت است.

LSD تاریخچه شناخته‌شده‌ای هم دارد: دیفرانسیل محدودکننده لغزش تورسن، در سال 1958 توسط ورنون گلاسمن ثبت اختراع شد. علاوه بر قیمت خرید، باید این نکته را هم در نظر گرفت که یک اکسل دارای LSD ممکن است به نگهداری بیشتری نسبت به دیفرانسیل باز نیاز داشته باشد؛ صفحات کلاچ یا اجزای ویسکوزی با گذشت زمان فرسوده و نیازمند سرویس می‌شوند.

دیفرانسیل قفل‌شونده و بردار گشتاور: راهکارهای انتهای طیف

دیفرانسیل قفل‌شونده رویکردی رادیکال‌تر است: دو چرخ را صرف‌نظر از وضعیت کشش، مانند یک شفت واحد با هم می‌چرخاند. این سیستم کاملاً جلوی چرخش بی‌مصرف یک چرخ در گل، برف یا زمین صخره‌ای و گیر کردن شما در آن نقطه را می‌گیرد؛ به همین دلیل بیش از همه در خودروهای آفرود دیده می‌شود. بهایش هم مشخص است: چرخش اجباری دو چرخ با سرعت یکسان در پیچ‌های آسفالته، تنش ناخواسته‌ای در لاستیک و سیستم انتقال قدرت ایجاد می‌کند.

در انتهای الکترونیکی طیف نیز بردار گشتاور قرار دارد. این فناوری می‌تواند به هر نیم‌شفت مقدار متغیری گشتاور بفرستد و توزیع گشتاور داخلی-خارجی را در لحظه درون پیچ تنظیم کند. نتیجه، پایداری بیشتر و توان پیچ‌گیری بهتر است؛ می‌توانید آن را لایه‌ای نرم‌افزاری در کنار هاب مکانیکی دیفرانسیل بدانید.

مقایسه انواع دیفرانسیل

نوعمنطق کارکردویژگی برجسته
بازگشتاور را به‌طور مساوی بین دو چرخ تقسیم می‌کند و به اختلاف سرعت آزادانه اجازه می‌دهدبرای رانندگی عادی کافی است؛ در هنگام از دست دادن کشش، قدرت را به چرخ لغزنده هدایت می‌کند
محدودکننده لغزش (LSD)به طور عادی مانند دیفرانسیل باز عمل می‌کند، اما وقتی اختلاف سرعت از حد مشخصی فراتر رود مانند قفل‌شونده رفتار می‌کندبا کلاچ یا چسبندگی ویسکوزی، گشتاور را به چرخ دارای کشش منتقل می‌کند
قفل‌شوندهدو چرخ را مانند یک شفت واحد با هم می‌چرخانددر شرایط آفرود، قوی‌ترین راهکار کشش
بردار گشتاوربا کنترل الکترونیکی، به هر نیم‌شفت گشتاور متغیری می‌فرستدپایداری و توان پیچ‌گیری را افزایش می‌دهد

تاریخچه‌ای به طرز شگفت‌انگیزی قدیمی

ریشه‌های این ایده بسیار دورتر از اختراع خودرو بازمی‌گردد. گمان می‌رود سازوکار آنتیکیترا (حدود 100 سال پیش از میلاد) ممکن است دنده دیفرانسیل داشته باشد، اما این موضوع قطعی نیست. نخستین استفاده مستند از دیفرانسیل به ساعت جوزف ویلیامسون در سال 1720 برمی‌گردد. ورود آن به عرصه خودرو اما اختراعی متعلق به سال 1827 است: اونزیفور پکور، دیفرانسیل را برای یک واگن بخاری ثبت اختراع کرد و راهکار بنیادینی که امروز در چرخ‌های ماست را توصیف کرد. برخی منابع پیشنهاد می‌کنند این سازوکار در قرن سوم میلادی در چین نیز پدید آمده باشد؛ این تاریخ‌گذاری به‌طور قطعی تأیید نشده است.

راه عملی برای شناخت دیفرانسیل خودروی خود

یکی از رایج‌ترین پرسش‌های رانندگان این است که چگونه بفهمند خودرویشان دیفرانسیل باز دارد یا LSD. نشانه‌ای عملی وجود دارد: وقتی روی زمین خشک با تمام گاز استارت می‌زنید، یک چرخ می‌چرخد یا دو چرخ با هم کار می‌کنند؟ چرخش بی‌مصرف یک چرخ، امضای کلاسیک دیفرانسیل باز است. در خودروی دارای LSD اما، هنگام خروج از پیچ و روی زمین خیس، کششی پیش‌بینی‌پذیرتر حس می‌کنید؛ سایش لاستیک هم در رانندگی تهاجمی متعادل‌تر توزیع می‌شود.

اینکه آیا LSD در استفاده روزمره واقعاً ضروری است یا نه، بحثی است که جامعه رانندگان را به دو دسته تقسیم می‌کند. یک طرف می‌گوید در رانندگی اسپرت جذب و ایمنی ایجاد می‌کند، طرف دیگر استدلال می‌کند که رها کردن دیفرانسیل معمولی در از دست دادن انتهای خودرو با چرخ عقبِ لغزان، در برخی شرایط قابل دفاع‌تر است. خلاصه صادقانه از دیدگاه مهندسی این است: دیفرانسیل معمولی راحت، کارآمد و ارزان است؛ اما LSD جایی به کار می‌آید که در سطوحی هستید که نمی‌دانید گشتاور باید به کجا برود. سطح جاده و سبک رانندگی شما تعیین می‌کند کدام یک مناسب شماست.

نتیجه‌گیری: میانگین‌گیری، هوشی ساده

آنچه دیفرانسیل را این‌چنین ظریف می‌سازد، این است که بدون یک واحد کنترل پیچیده، دو الزام را همزمان حل می‌کند: تقسیم گشتاور و اجازه دادن به اختلاف سرعت. قانون میانگین سرعت، پیچ‌ها را به‌عنوان نتیجه طبیعی اختلاف مقاومت بی‌صدا مدیریت می‌کند. ضعف دیفرانسیل معمولی در از دست دادن جذب، دقیقاً همان مشکلی است که دیفرانسیل‌های LSD و قفل‌شونده برای حل آن به وجود آمده‌اند. پشت آن کشش نرمی که در پیچ از پشت خودروتان احساس می‌کنید، هوشی مهندسی با قدمتی تقریباً دویست ساله نهفته است که می‌توان آن را در یک سطر ریاضی خلاصه کرد.

منابع