وظایف دیفرانسیل چیست؟

دیفرانسیل وسیله‌ایست که گشتاور موتور را به دو قسمت تقسیم کرده و به هر قسمت (خروجی) اجازه می‌دهد که با سرعت متفاوتی بچرخد.

امروزه دیفرانسیل بر روی تمام خودروها و کامیون‌ها و همچنین برروی خودروهای چهارچرخ متحرک یافت می‌شود. اتومبیل‌های چهارچرخ تحرک علاوه بر وجود دیفرانسیل بین هر دو چرخ متحرک، به یک دیفرانسیل بین دو جفت چرخهای جلو و عقب نیاز دارند. زیرا چرخ‌های جلو وعقب طی چرخش اتومبیل با سرعت‌های متفاوتی می‌چرخند.

در اتومبیل‌هایی که انتخاب بین دو حالت دو چرخ متحرک و چهار چرخ متحرک میسر است، دیفرانسیل مرکزی وجود ندارد. به همین دلیل این اتومبیل‌ها هنگامی که چهار چرخ متحرک هستند نمی‌توانند به راحتی بر روی سطوح سخت بپیچند.

چرخش با سرعت‌های متفاوت:
با ساده‌ترین نوع دیفرانسیل یعنی دیفرانسیل آزاد (دیفرانسیل ساده) شروع می‌کنیم. زمانی که اتومبیل مسیر مستقیمی را می‌پیماید هر دو چرخ متحرک با سرعت‌های یکسانی می‌چرخند. شفت پینیون، چرخدنده کرانویل و محفظه را می چرخاند. هیچکدام از چرخدنده‌های هرزگرد، هرزگردی نمی‌کنند و چرخدنده‌های سر پلوسبه یکدیگر و به کرانویلقفل شده‌اند. چرخدنده پینیون چند برابر از چرخدنده کرانویل کوچک‌تر است و این آخرین مرحله تبدیل نسبت دنده‌هاست. ممکن است عباراتی مثل نسبت تبدیل اکسل عقب را شنیده باشید. این عبارت بر می‌گردد به نسبت تبدیل در دیفرانسیل. مثلا اگر این نسبت تبدیل 4 باشد، چرخدنده کرانویل 4 برابر چرخدنده پینیون دنده دارد.

زمانی که اتومبیل می‌پیچد، چرخ‌ها باید با سرعت‌های متفاوتی بچرخند. در این حالت چرخدنده‌های هرزگرد شروع به چرخش کرده و به چرخدنده‌های سر پلوس اجازه می‌دهند که با سرعت‌های متفاوتی بچرخند.
چرخی که به سمت داخل پیچ است کندتر از کرانویل وچرخی که به سمت خارج پیچ است تندتر از کرانویل می چرخد.

بر روی یخ:
مقدار گشتاور که به وسیله دیفرانسیل آزاد به دو چرخ منتقل می‌شود همیشه یکسان است. دو فاکتور مشخص می‌کند که چه مقدار گشتاور به هر چرخ اعمال شود: تجهیزات ( موتور و دنده‌ها) و نیروی کشش (اصطکاک بین چرخ و سطح جاده).

زمانی که چرخ بر روی سطح خشک قرار گرفته، اصطکاک به مقدار کافی وجود دارد و مقدار گشتاور منتقل شده به هر چرخ تنها بستگی به موتور و دنده‌ها دارد.

زمانی که اصطکاک بین چرخ‌ها و جاده کم باشد، مانند زمانی که بر بروی سطح یخی رانندگی می‌کنیم، مقدار گشتاور منتقل شده به هر چرخ برابرست با بیشترین مقداری که سبب لغزش چرخ بر روی یخ نشود.
هرچند ممکن است موتور بتواند گشتاور بیشتری تولید کند اما باید به مقدار کافی اصطکاک وجود داشته باشد تا بتوان این گشتاور را به زمین منتقل کرد.

اگر پس از لغزش چرخ‌ها گاز بیشتری بدهیم، تنها سرعت لغزش بیشتر خواهد شد ( و اصطکاک بیشتر نمی‌شود بلکه کمتر می‌شود زیرا ضریب اصطکاک لغزشی از ضریب اصطکاک ایستایی کمتر است).
اگر بر روی سطوح یخ زده رانندگی کرده باشید حتما می‌دانید که حقه‌ای ساده به شما کمک خواهد کرد، به جای شروع حرکت با دنده یک، حرکت را با دنده دو یا حتی سه شروع کنید. زیرا دنده های بالاتر گشتاور کمتری به چرخ‌ها منتقل می‌کنند و باعث می‌شوند بدون اینکه چرخ‌ها بلغزند بتوانید سرعت بگیرید.

حال چه اتفاقی می‌افتد اگر یک از چرخ‌ها بر روی سطح یخی قرار گرفته و دیگری بر روی سطح خشک (اصطکاک بیشتر) قرار گیرد ؟ در اینجا ایراد اصلی دیفرانسیل‌های آزاد مشخص می‌شود.

به یاد می‌آورید که گفتیم دیفرانسیل‌های آزاد همیشه مقدار مساوی گشتاور به هر دو چرخ اعمال می‌کنند و نیز بیشترین مقدار گشتاور هر چرخ برابرست با بیشترین مقداری که سبب لغزش آن چرخ نشود. و نیز می‌دانیم لغزاندن یک تایر بر روی یخ به مقدار کمی گشتاور نیاز دارد.

در این حالت چرخی که اصطکاک بیشتری دارد گشتاور کمتری از چرخی که بر روی یخ قرار گرفته دریافت می‌کند و اتومبیل با نیروی بسیار کمی حرکت می‌کند.

خارج از جاده:
مورد دیگری که دیفرانسیل‌های آزاد ما را با مشکل مواجه می‌کنند زمانی است که خارج از جاده رانندگی می‌کنیم. هنگام رانندگی در مسیرهای ناهموار اگر یکی از چرخ‌های متحرک اتصال خود را با جاده از دست بدهد، بی‌فایده در هوا می‌چرخد و اتومبیل نمی‌تواند حرکت کند ( زیرا تمام نیرو به چرخ لغزنده منتقل می‌شود).

راه حل این مشکل استفاده از دیفرانسیل‌های ضد لغزش است که گاهی پوزیترکشن نامیده می‌شوند.

دیفرانسیل‌های ضد لغزش از مکانیزم‌های مختلفی استفاده می‌کنند تا قابلیت چرخش آسان سر پیچ‌ها را به اتومبیل داده و نیز زمانی که یک چرخ می‌لغزد، گشتاور بیشتری را به چرخی که نمی‌لغزد منتقل کنند.

برخی از انواع دیفرانسیل‌های ضد لغزش:

• دیفرانسیل ضد‌لغزش کلاچ‌دار:
  دیفرانسیل‌های ضد لغزش کلاچ‌دار معمول‌ترین نوع دیفرانسیل‌های ضد‌لغزش هستند. آنها علاوه بر تمام اجزای دیفرانسیل‌های آزاد، یک مجموعه فنر و کلاچ هم دارند. بعضی از آنها به کلاچ مخروطی مجهزند که درست مانند سنکرونیزه در گیربکس عمل می‌کند.
  مجموعه فنرها، چرخنده‌های سر پلوس را به کلاچها فشار می دهند که این کلاچ‌ها هم به محفظه بسته شده‌اند. چرخنده‌های سر پلوس زمانی که چرخها با سرعت‌های مساوی حرکت می‌کنند با محفظه می‌چرخند و کلاچ‌ها در این زمان تأثیری ندارند. آنها تنها زمانی وارد عمل می‌شوند که چیزی باعث شود یک چرخ از چرخ دیگر سریع‌تر بچرخد ( مثلا سر پیچ‌ها). در این هنگام کلاچ‌ها از این عمل جلوگیری می‌کنند و سعی می‌کنند که هر دو چرخ را هم دور کند.
  اگر چرخی بخواهد با سرعت بیشتری نسبت به چرخ دیگر بچرخد، ابتدا باید بر نیروی اصطکاک کلاچ غلبه کند. نیروی کلاچ را عواملی مانند سختی فنرها و اصطکاک بین کلاچ تعیین می‌کند. حال نظر به شرایطی می‌اندازیم که یک چرخ بر روی یخ قرار گرفته وچرخ دیگر اصطکاک خوبی دارد. در این حالت حتی اگر چرخی که بر روی یخ قرار گرفته نتواند نیروی زیادی به زمین وارد کند، چرخ دیگر هنوز نیروی لازم برای حرکت را در اختیار دارد.
  نیرویی که به چرخی که اصطکاک خوبی دارد اعمال می‌شود برابرست با مقدار نیرویی که برای غلبه بر نیروی کلاچ‌ها لازم است. نتیجه این می‌شود که اتومبیل می‌تواند حرکت کند هر چند نه با تمام قدرت.
• اتصال هیدرولیکی:
  این نوع اتصال معمولا بر روی اتومبیل‌های چهارچرخ متحرک یافت می‌شوند و معمولا چرخ‌های جلو و عقب را به هم متصل می‌کنند تا وقتی هرکدام از آنها ( جلو یا عقب) شروع به لغزش کرد، گشتاور به دیگری منتقل شود.
  اتصال هیدرولیکی تشکیل شده است از دو سری از صفحات که داخل یک محفظه مهر و موم شده و پر از یک روغن غلیظ قرار دارند. هر سری از صفحات به یک شفت خروجی متصل شده‌اند.در حالت عادی هر دو سری صفحات و روغن داخل محفظه با سرعت یکسانی می‌چرخند. زمانی که یک ست از چرخها سریع‌تر از ست دیگر چرخید ( مثلا به علت لغزش)، آن سری از صفحات که به چرخ لغزنده متصل اند سریع‌تر از سری دیگر صفحات می‌چرخند. روغن چسبناک ( غلیظ) که بین صفحات چسبندگی ( اصطکاک) ایجاد کرده سعی می‌کند که صفحات را همدور کند. به این ترتیب گشتاور بیشتری به چرخ‌هایی که نمی‌لغزند منتقل می‌شود.
  هرقدر صفحات داخل محفظه سریع‌تر بچرخند نیروی بیشتری را منتقل می‌کنند. و نیز هنگامی که اتومبیل می‌پیچد، تفاوت سرعت میان چرخ‌های جلو و عقب به اندازه زمانی که یک ست از چرخ‌ها می‌لغزد نیست. به همین دلیل هنگام چرخش اتومبیل عملا نیرویی توسط این سیستم رد و بدل نمی‌شود. این موضوع یکی از ایرادات اتصال هیدرولیکی را مشخص می‌کند، نیرو تنها زمانی منتقل می‌شود که یک سری از چرخ‌ها شروع به لغزش کند.
  آزمایش ساده ای به وسیله یک تخم مرغ خام رفتار اتصال هیدرولیکی را مشخص می‌کند. یک عدد تخم مرغ را روی میز می‌گذاریم، پوسته تخم مرغ و محتویات درون آن هر دو ثابت هستند. اگر ناگهان تخم مرغ را بچرخانیم در یک لحظه پوسته سریع‌تر از زرده می‌چرخد و پس از مدت کوتاهی همدور می‌شوند. حال ناگهان تخم مرغ را نگه می‌داریم و آن را رها می‌کنیم. مشاهده می‌شود تخم مرغ دوباره شروع به حرکت می‌کند. به این دلیل که پس از ثابت شدن پوسته، زرده در یک آن هنوز در حال چرخش است و نیرو دارد و با این نیرو پوسته را دوباره به حرکت وادار می‌کند. در این آزمایش ما از اصطکاک بین پوسته تخم مرغ و محتویات درون آن استفاده کردیم تا نیرو را به زرده منتقل کنیم.
  در یک سیستم اتصال هیدرولیکی نیروی اعمال شده بین صفحات و روغن غلیظ درست مانند نیروی بین زرده و پوسته تخم مرغ است.
• دیفرانسیل های قفل شونده
  دیفرانسیل های قفل شونده برای اتومبیلهایی که اصولا برای حرکت در مناطق ناهموار و خارج از جاده طراحی شده اند مفید است. این نوع دیفرانسیل تمام اجزای یک دیفرانسیل آزاد را دارد و علاوه بر آن از یک مکانیزم الکتریکی، پنوماتیکی یا هیدرولیکی برای قفل کردن دو چرخ دنده خروجی پینیون ( سر پلوس) به یکدیگر بهره می‌برد. این مکانیسم معمولا به وسیله یک سویچ فعال می‌شود و باعث می‌شود هر دو چرخ با سرعت یکسانی بچرخند.
  اگر یکی از چرخ‌ها اتصالش با زمین ناقص باشد ( و بلغزد)، چرخ دیگر بدون هیچ مشکلی به چرخیدن ادامه می‌دهد.
• دیفرانسیل‌های تورسن:
  دیفرانسیل تورسن یک وسیله کاملا مکانیکی است و هیچگونه قسمت الکتریکی یا کلاچ یا اتصال روغنی ندارد.
  زمانی که نیروی انتقال یافته به هر چرخ برابر باشد دیفرانسیل تورسن درست مانند یک دیفرانسیل آزاد عمل می‌کند. به محض اینکه یکی از چرخ‌ها اصطکاک خود را با زمین از دست داد، تفاوت بین نیروی دو چرخ باعث می‌شود چرخ دنده‌های داخل دیفرانسیل به یکدیگر قفل شوند. طراحی چرخ دنده‌های این دیفرانسیل تعیین کننده نسبت تمایل نیرو است. به عنوان مثال اگر یک دیفرانسیل تورسن با نسبت تمایل 5:1 طراحی شده باشد، قابلیت این را دارد که 5 برابر نیروی بیشتری به چرخی که اصطکاک بهتری دارد اعمال نماید.
  این وسیله در اتومبیل‌های چهار چرخ متحرک قدرتمند یافت می‌شود و مثل اتصال هیدرولیکی معمولا برای انتقال نیرو بین چرخ‌های جلو و عقب مورد استفاده قرار می‌گیرد. در این صورت بر اتصال هیدرولیکی ارجحیت دارد. زیرا نیرو را قبل از اینکه سبب لغزش چرخی شود به چرخ‌های دیگر منتقل می‌کند.
  هرچند اگر یک ست از چرخ ها ( جلو یا عقب) کاملا اصطکاکش را از دست بدهد، دیفرانسیل تورسن نمی‌تواند نیرو را به سمت دیگر چرخ‌ها برساند. زیرا نسبت تمایل آن معین می‌کند که چه میزان نیرو منتقل شود و صفر ضرب در پنج می‌شود صفر !