همه چیز در مورد دیفرانسیل خودرو

[fardin_fani]

همه چیز در مورد دیفرانسیل خودرو

در اين مقاله در مورد ديفرانسيل‌ها توضيح خواهيم داد. ديفرانسيل در اكثر اتومبيل‌ها آخرين مرحله‌اي است كه قدرت قبل از چرخاندن چرخها از آن مي‌گذرد.

ديفرانسيل سه كار را انجام مي‌دهد:

1- فرستادن قدرت موتور به چرخها

2- عملكرد به عنوان آخرين مرحله كاهش دنده در خودرو

3- انتقال قدرت به چرخها در حاليكه چرخها با سرعتهاي متفاوت گردش مي‌كنند.(اسم ديفرانسيل برگرفته از اين وظيفه آن است)

در اين مقاله، خواهيد آموخت كه چرا ماشين شما به ديفرانسيل نياز دارد، ديفرانسيل آن چگونه كار مي‌كند و نواقص آن چيست. همچنين به انواع پزيتركشن‌ها (positractions) كه به عنوان ديفرانسيل‌هاي لغزش محدود شناخته مي‌شوند، نگاهي خواهيم داشت.

چرا اتومبيل به ديفرانسيل نياز دارد

چرخهاي اتومبيل با سرعت‌هاي متفاوت مي‌چرخند. به ويژه هنگام پيچيدن اتومبيل. با استفاده از انيميشن زير مي‌توانيد دريابيد كه هنگام پيچيدن اتومبيل چرخها فواصل متفاوتي را طي مي‌كنند. چرخ داخلي نسبت به چرخ خارجي مسافت كمتري را طي مي‌كند. از آنجايي كه سرعت برابر است با جابجايي تقسيم بر زمان جابجايي، چرخي كه مسافت كمتري را طي مي‌كند سرعتش هم كمتر است. توجه كنيد كه چرخهاي جلو هم نسبت به چرخهاي عقب مسير متفاوتي را طي مي‌كنند.

براي چرخهايي كه پيشران نيستند و نيروي موتور به آنها منتقل نمي‌شود مشكلي پيش نمي‌آيد. مانند چرخهاي جلو در يك اتومبيل كه چرخهاي عقب پيشران هستند و يا چرخهاي عقب در اتومبيلي كه چرخهاي جلو پيشران هستند. اما چرخهاي پيشران به هم متصل‌اند بطوريكه يك موتور واحد و يك سيستم انتقال قدرت واحد آنها را به گردش درمي‌آورد. اگر ماشين شما ديفرانسيل نداشته باشد، چرخها به همديگر قفل خواهند شد پس مي‌بايست هميشه با سرعت‌هاي برابر گردش كنند. با اين شرايط پيچيدن اتومبيل با مشكل مواجه مي‌شود و يكي از چرخها بايد روي زمين بلغزد. با وجود چرخهاي مدرن امروزي و خيابان‌هاي بتني، نيروي زيادي براي لغزاندن يك چرخ لازم است و اين نيرو بايد از طريق محور چرخها از يك چرخ به چرخ ديگر منتقل شود كه اين كار كشش زيادي را بر محور چرخها وارد خواهد كرد.

ديفرانسيل چيست؟
ديفرانسيل وسيله‌اي است كه گشتاور انتقالي از موتور را دو قسمت مي‌كند تا هر قسمت جداگانه چرخي را به گردش درآورد.

ديفرانسيل روي تمام اتومبيل‌ها و كاميون‌هاي جديد يافت مي‌شود . همچنين روي بسياري از اتومبيل‌هايي كه قدرت به چهار چرخ منتقل مي‌شود. در اتومبيل‌هايي كه نيرو بطور مداوم به چهار چرخ منتقل مي‌شود، بين هر دو چرخ به يك ديفرانسيل نياز است و همچنين بايد يك ديفرانسيل بين چرخهاي عقب و جلو وجود داشته باشد. چرا كه چرخهاي جلو ضمن پيچيدن اتومبيل مسير متفاوتي را نسبت به چرخهاي عقب طي مي‌كنند.

در اتومبيل‌هايي كه مي‌توان نيرو را به يكي از محورها به دلخواه منتقل و يا قطع كرد به ديفرانسيل بين چرخهاي عقب و جلو نيازي نيست. در عوض هنگام استفاده از هر دو محور براي انتقال قدرت چرخهاي عقب و جلو به هم قفل مي‌شوند. بنابراين چرخهاي عقب و جلو بايد با سرعت‌هاي متوسط برابر طي مسير كنند.

ديفرانسيل باز ( open differential )

مطلب را با ساده‌ترين نوع ديفرانسيل يعني ديفرانسيل باز آغاز مي‌كنيم. در آغاز لازم است بعضي از لغات و اصطلاحات مربوطه را توضيح دهيم. تصوير زير قسمتهاي مختلف يك ديفرانسيل باز را نشان مي‌دهد.

وقتي كه اتومبيل روي جاده در خط مستقيم حركت مي‌كند، چرخها با سرعت‌هاي برابر مي‌چرخند. پينين ورودي چرخدنده حلقه‌اي و محفظه جدا كننده را مي‌چرخاند. در اين شرايط هيچ كدام از چرخدنده‌هاي داخل محفظه نمي‌چرخند و دو چرخدنده پهلويي به محفظه قفل شده‌اند.

توجه داشته باشيد كه پينين ورودي نسبت به چرخدنده حلقه‌اي كوچكتر است. اين آخرين مرحله كاهش دنده در اتومبيل است. اصطلاحات "نسبت محور عقب" يا "آخرين نسبت رانندگي" را شنيده‌ايد اين اصطلاحات به نسبت كاهش دنده در ديفرانسيل اشاره دارند.اگر نسبت محور عقب4.10 باشد نسبت تعداد دندانه های چرخدنده حلقه ای به پینیون ورودی 4.10 خواهد بود. براي اطلاعات بيشتر در مورد نسبت دنده‌ها مقاله "چرخدنده‌ها چگونه كار مي‌كنند" را مطالعه كنيد.

وقتي كه اتومبيل مي‌پيچد چرخها بايد با سرعت‌هاي متفاوت بچرخند:

در تصوير بالا ديده مي‌شود كه چرخدنده‌هاي داخل محفظه همزمان با شروع به پيچيدن اتومبيل شروع به گردش مي‌كنند با اين كار اين امكان براي چرخها فراهم مي‌شود كه با سرعت‌هاي متفاوت بچرخند. چرخ داخلي نسبت به محفظه با سرعت كمتري مي‌چرخد در حالي كه چرخ بيروني نسبت به محفظه سريعتر مي‌چرخد.

ديفرانسيل باز _ حركت مستقيم الخط

ديفرانسيل باز _ پيچيدن اتومبيل

ديفرانسيل‌ها و اصطكاك:
ديفرانسيل باز همواره گشتاورهاي برابري را به هركدام از چرخها منتقل مي‌كند. دو عامل تعيين كننده بر مقدار گشتاور اعمالي به چرخها وجود دارد: تجهيزات و اصطكاك. در محيط هاي خشك كه به مقدار كافي اصطكاك وجود دارد، مقدار گشتاور اعمالي به چرخها به وسيله موتور و چرخدنده‌ها محدود مي‌شود. در محيط‌هايي كه اصطكاك كم است مانند رانندگي برروي يخ گشتاور اعمالي به بيشترين مقدار گشتاوري كه از لغزيدن چرخ در اين شرايط جلوگيري كند محدود است. بنابراين اگرچه موتور ماشين قابليت توليد توان بيشتري را دارد اما بايد اصطكاك كافي براي انتقال آن به زمين موجود باشد. اگر بعد از اينكه چرخها شروع به لغزيدن كردند بيشتر گاز بدهيد فقط چرخها با سرعت بيشتري مي‌چرخند.

حركت روي لايه نازك يخ

اگر تا به حال برروي يخ رانندگي كرده باشيد، شايد حقه‌اي را كه به وسيله آن شتاب گيري آسان‌تر است فهميده باشيد. اگر به جاي دنده يك با دنده دو و يا حتي دنده سه شروع به حركت كنيد به دليل عملكرد چرخدنده‌ها در سيستم انتقال قدرت گشتاور كمتري به چرخها منتقل مي‌شود و اين امر امكان حركت و شتاب گيري بدون لغزش چرخها را فراهم مي‌آورد.

حال اگر يكي از چرخها به اندازه كافي اصطكاك داشته باشد اما چرخ ديگر روي يخ باشد چه روي خواهد داد؟ اين جايي است كه مشكل ديفرانسيل باز، خود نمايي مي‌كند.

به خاطر بياوريد كه ديفرانسيل باز گشتاور برابري را به هركدام از چرخها منتقل مي‌كند و حداكثر مقدار گشتاور محدود به بيشترين مقداري است كه چرخها نلغزند. گشتاور بالايي براي لغزيدن چرخ روي يخ لازم نيست؛ با اين شرايط چرخ با اصطكاك مناسب همان مقدار گشتاور كم را كه به چرخ ديگر منتقل مي‌شود دريافت خواهد كرد كه براي به حركت درآمدن آن كافي نيست پس ماشين شما حركت نخواهد كرد.

جدا شدن چرخها از زمين

يكي ديگر از مشكلات ديفرانسيل باز زماني بروز مي‌كند كه چرخهاي اتومبيل از جاده جدا شوند. اگر شما يك كاميون كه قدرت به چهار چرخ اعمال مي‌شود يا يك داشته باشيد كه هم محور عقب و هم محور جلو ديفرانسيل باز داشته باشند. به ياد بياوريد همانطور كه قبال گفته شد ، ديفرانسيل آزاد همواره گشتاورهاي برابري را به چرخها منتقل مي‌كند. اگر يكي از چرخهاي عقب و يكي از چرخهاي جلو از زمين جداشوند، اين چرخها فقط در هوا به دور خود مي‌چرخند، پس قادر به حركت نخواهيد بود.

راه حل اين مشكل ديفرانسيل لغزش محدود است كه به آن پزيتركشن (positraction) نيز مي‌گويند. ديفرانسيل لغزش محدود از مكانيزم‌هاي گوناگوني براي انجام عمل ديفرانسيل هنگام پيچيدن اتومبيل استفاده مي‌كند. وقتي كه يكي از چرخها ليز مي‌خورد اين ديفرانسيل اين امكان را فراهم مي‌كند كه گشتاور بيشتري به چرخي كه نمي‌لغزد منتقل شود.

در قسمتهاي بعدي بعضي از انواع ديفرانسيل لغزش محدود را تشريح خواهيم كرد. كه شامل نوع كلاچي LSD ، كوپلينگ چسبناك، ديفرانسيل قفل شدني و تورسن (torsen) است.
ديفرانسيل لغزش محدود نوع كلاچي:
شاید معمولترین نوع دیفرانسیل لغزش محدود نوع کلاچی LSD باشد.

اين نوع ديفرانسيل همه اجزاي ديفرانسيل آزاد را دارد. اما مازاد بر آنها يك دسته فنر و يك سري كلاچ را دارا مي‌باشد. بعضي از آنها يك كلاچ مخروطي را هم دارند درست مانند هماهنگ كننده در سيستم انتقال قدرت دستي.

فنر چرخدنده های کناری را که به محفظه متصلند به کلاچ ها می فشارد، وقتی که چرخها با سرعتهای برابر حرکت می کنند هر دو چرخدنده کناری همراه با محفظه می چرخند و به کلاچها نیازی نیست. تنها وقتی که عاملی باعث شود که یکی از چرخها نسبت به دیگری با سرعت بیشتر بچرخد به کلاچها نیاز است و آنها وارد عمل می شوند. مانند زمانی که اتومبیل می پیچد کلاچها چرخها را وادار می کنند که با سرعت های برابر بچرخند. اگر یکی از چرخها بخواهد که سریعتر بچرخد باید ابتدا بر کلاچها غلبه کند. سختی فنرهایی که با اصطکاک کلاچها همراهند تعیین کننده مقدار گشتاوری است که برای غلبه بر کلاچها لازم است.

اگر به موقعیتی که یکی از چرخها روی یخ است و دیگری اصطکاک کافی برای حرکت دارد برگردیم: با دیفرانسیل لغزش محدود ، گرچه چرخی که روی یخ است قادر نیست که گشتاور زیادی را به زمین منتقل کند، چرخ دیگر همجنان گشتاور مورد نیاز برای حرکت را دریافت خواهد کرد. گشتاور انتقالی به آن برابر با مقدار گشتاور مورد نیاز برای غلبه بر کلاچها است. نتیجه آن است که شما قادر به حرکت خواهید بود، هرچند که از تمام قدرت اتومبیلتان استفاده نمی کنید.

كوپلينگ چسبناك:
كوپلينگ چسبناك غالباً در خودروهايي كه قدرت به تمام چرخها منتقل مي‌شود به كار مي‌رود و معمولا در قسمت مياني بين محور عقب و محور جلو به كار مي‌رود تا اگر چرخهاي عقب و يا جلو شروع به لغزش كرد گشتاور را به چرخهاي ديگر منتقل كند.

همانطور كه در تصوير زير ديده مي‌شود اين نوع ديفرانسيل شامل دو دسته صفحه است كه درون محفظه‌اي كه پر از مايع غليظي است محكم قرار گرفته‌اند. هر دسته از صفحات به يكي از شفت‌هاي خروجي متصل است. در شرايط عادي هر دو دسته صفحه و مايع غليظ با سرعت‌هاي برابر مي‌چرخند، اما زماني كه يك دسته از چرخها ( جلو يا عقب) با سرعت بيشتري چرخيد (شايد به خاطر ليز خوردن آن) دسته صفحه متصل به آن هم نسبت به دسته صفحه ديگر با سرعت بيشتري مي‌چرخد، مايع غليز كه بين صفحات گير كرده است مي‌خواهد كه با سرعت صفحاتي كه سرعتشان بيشتر است بچرخد و صفحه‌هايي را كه با سرعت كمتري مي‌چرخند با خود مي‌چرخاند. با اين شرايط گشتاور بيشتري به چرخهايي كه نمي‌لغزند و آرامتر مي‌چرخند منتقل مي‌شود.

وقتي كه اتومبيلي مي‌پيچد اختلاف سرعت بين چرخها به اندازه زماني نيست كه يكي از چرخها ليز بخورد. با چرخش سريعتر صفحات نسبت به همديگر گشتاور بيشتري هم از طريق مايع غليظ منتقل مي‌شود. از آنجايي كه گشتاوري كه هنگام پيچيدن اتومبيل بايد منتقل شود بسيار كوچك است اين ديفرانسيل مؤثر نخواهد بود. اين مطلب يكي از معايب اين نوع ديفرانسيل را نشان مي‌دهد كه : درست هنگام شروع به لغزش يك چرخ هيچ گشتاوري منتقل نمي‌شود.

براي درك هرچه بهتر رفتار كوپلينگ چسبناك از يك آزمايش ساده با يك تخم مرغ كمك مي‌گيريم. اگر تخم مرغ را روي ميز آشپزخانه قرار دهيد، هم پوسته و هم زرده تخم مرغ ثابتند. اگر به طور ناگهاني تخم مرغ را بچرخانيد ، براي مدت كمي پوسته نسبت به زرده با سرعت بيشتري حركت خواهد كرد، اما زرده خيلي زود با پوسته هم سرعت خواهد شد. براي اثبات اينكه آيا زرده هم مي‌چرخد، بعد از اينكه تخم مرغ به چرخش درآمد به سرعت آن را متوقف كرده و سپس آن را رها كنيد. خواهيد ديد كه تخم مرغ دوباره شروع به حركت خواهد كرد (البته تخم مرغ بايد نپخته باشد). در اين آزمايش ما از نيروي اصطكاك بين پوسته و زرده براي به حركت درآوردن و سرعت گرفتن زرده استفاده كرديم. وقتي كه تخم مرغ را متوقف كرديم اصطكاك _ بين پوسته و زرده كه هنوز مي‌چرخد _ به پوسته نيرو وارد مي‌كند و آن را وادار به حركت مي‌كند. در يك كوپلينگ چسبناك نيرو بين صفحات نيرو بين صفحات و مايع غليظ درست مانند پوسته و زرده تخم مرغ منتقل مي‌شود.

ديفرانسيل قفل شدني و تورسن (torsen):

ديفرانسيل قفل شدني براي خودروها در مسيرهاي جاده خاكي مناسب است. اين نوع ديفرانسيل اجزايي درست مانند ديفرانسيل باز دارد. به علاوه يك مكانيزم پنوماتيكي يا هيدروليكي الكتريكي به منظور قفل شدن دو جرخدنده خروجي به همديگر.

معمولا اين مكانيزم به وسيله يك سويچ فعال مي‌شود، هنگاميكه فعال شد، هر دو چرخ با سرعت‌هاي برابري خواهند چرخيد. اگر يكي از چرخها از زمين جدا شد، به حال چرخ ديگر فرقي نخواهد كرد. درست همانند زماني كه دو چرخ روي زمين هستند با سرعت‌هاي برابر خواهند چرخيد.

ديفرانسيل تورسن يك وسيله كاملا مكانيكي است و از هيچ گونه سيستم الكترونيكي يا كلاچي و يا مايع غليظ استفاده نمي‌كند.

كلمه تورسن (torsen) برگرفته از Torque Sensing ( حساسيت به گشتاور) است. زماني كه گشتاورهاي انتقالي به هر دو چرخ برابرند درست مانند ديفرانسيل باز كار مي‌كند. به محض اينكه اصطكاك يكي از چرخها كم شد، اختلاف در گشتاور باعث مي‌شود كه در ديفرانسيل تورسن چرخدنده‌ها به همديگر مقيد شوند. در اين نوع ديفرانسيل طراحي چرخدنده‌ها نسبت تغيير گشتاور را تعيين مي‌كند. به عنوان مثال، اگر يك ديفرانسيل تورسن با نسبت 5:1 طراحي شده باشد، اين ديفرانسيل قادر خواهد بود كه گشتاور تا پنج برابر را به چرخي كه اصطكاك كافي دارد منتقل كند.

اين وسيله معمولا در خودروهاي كلاس بالايي كه قدرت به تمام چرخها منتقل مي‌شود. مانند سيستم كوپلينگ چسبناك، بيشتر براي انتقال قدرت بين چرخهاي عقب و جلو به كار مي‌رود. در اين كاربرد، سيستم تورسن بر سيستم كوپلينگ چسبناك برتري دارد. زيرا اين سيستم به چرخهاي ثابتي كه شروع به لغزش مي‌كند گشتاور وارد مي‌كند.

اگر يكي از چرخها كاملا از زمين جدا شود، ديفرانسيل تورسن قادر نخواهد بود هيچ گشتاوري را به چرخ ديگر منتقل كند. نسبت تمايل به تغير گشتاور مقدار گشتاور انتقالي را تعيين خواهد كرد، و پنج برابر صفر همان صفر خواهد بود.