دیفرانسیل خودرو چیست ؛ معرفی انواع و نحوه عملکرد آن

قدرت و گشتاور تولید شده در پیشرانه برای انتقال به چرخ‌های خودرو باید از اجزای مختلفی عبور کند و پس از ایجاد تغییر در اندازه و جهت گشتاور به چرخ‌ها انتقال یابد. در گام نخست، قدرت و گشتاور تولیدی توسط پیشرانه به جعبه‌دنده وارد می‌شود و پس از تغییراتی در بیشتر خودروها به دیفرانسیل منتقل می‌شود تا قبل از انتقال به چرخ‌ها در آخرین ایستگاه، دوباره اصلاحاتی روی گشتاور اعمال شود. به‌طور کلی دیفرانسیل سه وظیفه‌ی اصلی بر عهده دارد که به قرار زیر است:

• انتقال قدرت پیشرانه به چرخ‌ها
• آخرین ایستگاه کاهش ضریب دنده، دیفرانسیل سرعت دورانی شفت محرک را تغییر می‌دهد
• انتقال قدرت به چرخ‌ها درحالی‌که به چرخ‌ها اجازه می‌دهد با سرعت‌های متفاوتی دوران کنند

برخلاف تصور عموم، هر یک از چرخ‌های خودرو مستقل از چرخ‌های دیگر و با سرعتی متفاوت دوران می‌کند. این اتفاق به‌خصوص در پیچ‌ها قابل لمس‌تر است. سرعت برابر است با میزان مسافت طی شده در زمان مشخص و به‌همین دلیل چرخ نزدیک‌تر به پیچ (داخل پیچ) مسافت کم‌تری نسبت به چرخ‌های خارج از پیچ می‌پیماید و این امر به آن معنا است که با سرعت کم‌تری نسبت به چرخ‌های خارجی دوران می‌کند.

به‌طور معمول قدرت پیشرانه یا به چرخ‌های جلو یا به چرخ‌های عقب منتقل می‌شود. به چرخ‌هایی که قدرت پیشرانه به آن‌ها منتقل می‌شود، محرک گفته می‌شود و به چرخ‌هایی که به واسطه‌ی چرخش چرخ‌های محرک به حرک در می‌آیند، متحرک می‌گویند. سرعت متفاوت در چرخ‌های متحرک مشکلی ایجاد نمی‌کند چراکه آن‌ها مستقل از یکدیگر دوران می‌کنند، اما به‌دلیل انتقال مستقیم قدرت پیشرانه به چرخ‌های محرک و ارتباط آن‌ها به یکدیگر، تفاوت در سرعت دورانی آن‌ها اهمیت می‌یابد. در این حالت عدم وجود و استفاده از دیفرانسیل سبب می‌شود که چرخ‌های محرک به یکدیگر قفل شده و به‌اجبار باید با یک سرعت دوران کنند. این موضوع سبب می‌شود پیچیدن دشوار شده و در نتیجه کنترل خودرو به سختی صورت پذیرد. در این حالت در هنگام پیچیدن، یکی از چرخ‌های محرک باید دچار لغزیدن شود تا پیچیدن صورت پذیرد، در غیراین‌صورت پیچیدن بسیار دشوار و خطرناک خواهد بود و تنش زیادی به اکسل خودرو وارد می‌شود.

در خودروهای چهار چرخ محرک (4WD) که در مواقع لزوم هر چهار چرخ محرک می‌شوند، دیفرانسیل سوم وجود ندارد و به جای آن در هنگام رانندگی در حالت چهار چرخ محرک، اکسل جلو و عقب به یکدیگر قفل می‌شوند و این به آن معنا است که سرعت متوسط چرخ‌های جلو و عقب باید یکسان باشد. به همین دلیل است که در هنگام رانندگی در حالت چهار چرخ محرک پیچیدن روی سطوح با اصطکاک بالا بسیار دشوار می‌شود.

360p/720p

دیفرانسیل خودرو انواع مختلفی دارد که هر یک مزایا و معایب خاص خود را دارد. در ادامه به بررسی و توضیح هر یک از انواع دیفرانسیل می‌پردازیم و تا حد امکان آن‌ها را با یکدیگر مقایسه می‌کنیم.

اولین و ساده‌ترین نوع دیفرانسیل، نوع باز است. این نوع از دیفرانسیل نسبت به دیگر نمونه‌ها ساده‌تر است و در نتیجه هزینه‌ی ساخت، تعمیر و نگه‌داری از آن کمتر است. دیفرانسیل باز از تعدادی چرخ‌دنده به همراه سه شفت مجزا تشکیل شده است. شفت ورودی (محرک) وظیفه‌ی انتقال قدرت از پیشرانه به دیفرانسیل را برعهده دارد. قدرت پیشرانه پس از تغییر با استفاده از ضریب دنده، در نهایت به چرخ‌ها منتقل می‌شود. دو شفت دیگر هر یک به یکی از چرخ‌های محرک متصل است و قدرت پیشرانه را از دیفرانسیل به چرخ‌ها منتقل می‌کنند.

همان‌طور که پیش‌تر اشاره شد، هنگامی‌که خودرو در مسیر مستقیم حرکت می‌کند چرخ‌های محرک با سرعت برابر می‌چرخند. در این حالت شفت ورودی (محرک) دیفرانسیل قدرت پیشرانه را به چرخ‌دنده‌ی رینگی منتقل می‌کند و در حالت حرک در مسیر مستقیم، شفت‌های متصل به چرخ‌ها با قفل شدن به یکدیگر از طریق تماس با چرخ‌دنده‌ی رینگی، با سرعت برابر می‌چرخند. چرخ‌دنده‌ی روی شفت ورودی به دیفرانسیل کوچک‌تر از چرخ‌دنده‌ی رینگی است و این به آن معنا است که دیفرانسیل ضریب دنده را کاهش می‌دهد و در نتیجه سرعت چرخش چرخ‌های محرک برای آخرین بار نسبت به شفت ورودی کمتر می‌شود. در زمان پیچیدن که سرعت چرخ‌های محرک با یکدیگر متفاوت می‌شود، چرخ‌دنده‌های عنکبوتی تعبیه شده در دیفرانسیل وظیفه‌ی کنترل سرعت این چرخ‌ها را برعهده می‌گیرند. در این حالت چرخی که به داخل پیچ نزدیک‌تر است با سرعت کمتر و چرخی که در خارج پیچ قرار دارد، با سرعت بیشتر می‌چرخد.

دیفرانسیل باز در حالت عادی همواره گشتاور پیشرانه را میان دو چرخ به‌طور مساوی توزیع می‌کند که همین امر یکی از معایب این نوع دیفرانسیل است. در شرایطی که سطح جاده خشک باشد یا چرخ‌های محرک به‌طور نرمال روی سطح جاده قرار داشته باشند، توزیع برابر گشتاور هیچ مشکلی ایجاد نمی‌کند، اما زمانی‌که سطح جاده لغزنده باشد، گشتاور بیشتر به سمت چرخی که مقاومت کمتری دارد (می‌لغزد و اصطکاک کمتری دارد) انتقال می‌یابد. در حالت عادی بیشترین میزان گشتاور قابل انتقال به چرخ‌ها توسط پیشرانه، جعبه‌دنده و دیفرانسیل محدود می‌شود، اما در حالت لغزندگی جاده بیشترین میزان گشتاور قابل اعمال، مقداری است که چرخ دچار لغزش (لیز خوردن) نشود. در این حالت، گشتاور انتقالی به چرخ‌ها باید به اندازه‌ای باشد که چرخ دچار لغزیدن نشود و کنترل و هدایت خودرو میسر باشد. به همین دلیل است که بعضی راننده‌ها در شرایطی که سطح جاده یخ زده باشد، به‌جای استفاده از دنده‌ی یک برای شروع حرکت از دنده‌ی دو یا سه استفاده می‌کنند چراکه در این حالت گشتاور کمتری به چرخ‌ها اعمال می‌شود و در نتیجه احتمال سُر خوردن به حداقل می‌رسد.

حال شرایطی را در نظر بگیرید که یکی از چرخ‌های محرک از اصطکاک لازم با سطح جاده برخوردار باشد، اما چرخ محرک دیگر روی سطحی لغزنده مثل یخ قرار گرفته باشد. همان‌طور که در قسمت پیشین اشاره شد، بیشترین میزان گشتاور قابل انتقال در حالت لغزندگی جاده برابر مقداری است که مانع از لغزیدن چرخ شود که به‌طور حتم در این حالت میزان گشتاور بسیار اندک خواهد بود. در این حالت بیشتر گشتاور توسط دیفرانسیل باز به چرخ محرکی که روی سطح لغزنده قرار دارد منتقل می‌شود، در نتیجه حرکت و کنترل خودرو با مشکل مواجه خواهد شد.

معضل دیگر استفاده از دیفرانسیل باز هنگام رانندگی در مسیرهای خارج از جاده (آفرود) رخ می‌دهد. تصور کنید در یکی از این مسیرها یکی از چرخ‌های محرک از زمین فاصله بگیرد، در این حالت نیز دیفرانسیل باز، میزان بزرگتری از گشتاور پیشرانه را بدون هیچ‌گونه بهره‌ای صرف چرخش چرخ محرک معلق در هوا خواهد کرد و در نتیجه حرکت خودرو دچار مشکل می‌شود. برای حل این معضلات دیفرانسیل لغزش محدود (Limited Slip Differential) ساخته شد که در ادامه به معرفی آن می‌پردازیم.

برای حل مشکلات و معایب دیفرانسیل باز، مهندسان نسل جدیدی از دیفرانسیل‌ها را معرفی کردند که به دیفرانسیل‌های لغزش محدود شناخته می‌شوند. این دیفرانسیل‌ها که خود انواع مختلفی دارند، به‌طور ساده در صورت لغزش یکی از چرخ‌های محرک، بخش عمده‌ی گشتاور را به چرخی که از اصطکاک کافی با سطح جاده برخوردار است منتقل می‌کنند. در ادامه با انواع دیفرانسیل‌های لغزش محدود نظیر کلاچ‌دار، اتصال ویسکوز، قفل شونده و تُرسن (Torsen) آشنا می‌شویم.

360p/720p

در حال حاضر متداول‌ترین نوع دیفرانسیل لغزش محدود، نوع کلاچ‌دار آن است. اجزای اصلی تشکیل‌دهنده‌ی این نوع دیفرانسیل دقیقاً مشابه دیفرانسیل باز است با این تفاوت که تعدادی فنر و دو کلاچ به ساختار آن افزوده شده است. کلاچ‌ها در این نوع دیفرانسیل وظیفه‌ی تنظیم میزان گشتاور ارسالی به هر یک از چرخ‌های محرک را دارند. در این دیفرانسیل‌ها هر یک از شفت‌های متصل به چرخ‌ها محرک یک کلاچ دارد که وظیفه‌ی فشردن چرخ‌دنده‌ی شفت به چرخ‌دنده‌ی عنکبوتی دیفرانسیل را برعهده دارد. در حالت حرکت روی مسیر مستقیم و شرایط معمولی جاده، عملکرد دیفرانسیل لغزش محدود شبیه به دیفرانسیل باز است، اما در صورت وارد شدن به یک پیچ، لغزنده بودن سطح زیر یکی از چرخ‌های محرک یا رانندگی در جاده‌های ناهموار کلاچ‌های تعبیه شده در این دیفرانسیل اهمیت می‌یابند. عملکرد این کلاچ‌ها به این صورت است که به محض تمایل یک چرخ محرک برای چرخش سریع‌تر نسبت به چرخ محرک دیگر نیروی وارد شده به کلاچ آن چرخ کاهش یافته و در نتیجه درگیری چرخ‌دنده‌ی آن با چرخ‌دنده‌ی عنکبوتی کاهش می‌یابد، نتیجه اینکه گشتاور انتقالی به آن چرخ کمتر می‌شود. از سوی دیگر کلاچ سوار شده روی شفت چرخ محرکی که اصطکاک بالاتری دارد به پوسته‌ی دیفرانسیل فشرده شده و محکم می‌شود، درگیری با چرخ‌دنده‌ی عنکبوتی افزایش می‌یابد، در نتیجه گشتاور بیشتری به این چرخ منتقل می‌شود. این طراحی هوشمندانه، ضمن رفع نواقص دیفرانسیل باز، خودرو را قادر می‌سازد که از شرایط ناهموار و بد جاده عبور کند.

به‌طور معمول از این دیفرانسیل در خودروهای تمام چرخ محرک (All Wheel Drive) استفاده می‌شود. وظیفه‌ی این دیفرانسیل ایجاد اتصال میان محور جلو و عقب خودرو است تا در شرایطی که یکی از محورها دچار لغزش شد، گشتاور به محور دیگر انتقال یابد. در این نوع دیفرانسیل ابتدای شفت هر چرخ محرک که به دیفرانسیل وارد می‌شود، در یک صفحه‌ی فلزی شیاردار محصور شده است که میان شیارهای آن با شفت و پوسته‌ی دیفرانسیل توسط یک سیال با چگالی زیاد پر شده است. در این دیفرانسیل پوسته نیز همراه شفت‌ها می‌چرخد.

وظیفه‌ی این سیال انتقال گشتاور از طریق نیروی اصطکاک است. هنگامی که یکی از چرخ‌های محرک شروع به لغزیدن کند، سرعت چرخش آن نسبت به چرخ دیگر افزایش می‌یابد. در این حالت پوسته‌ی دیفرانسیل با سرعت بالاتر شروع به چرخش می‌کند، در نتیجه به واسطه‌ی اصطکاک سیال چگال با صفحه‌ی فلزی متصل به شفت دیگر که سرعت پایین‌تری دارد، میزان انتقال گشتاور به این چرخ افزایش می‌یابد. با وجود عملکرد مناسب این دیفرانسیل در شرایط ذکر شده، اما هنگام عبور از پیچ‌ها به‌خاطر اختلاف سرعت کمتر میان چرخ‌ها نسبت به حالت لیز خوردن، دیفرانسیل لغزش محدود با اتصال ویسکوز عملکرد خاصی نخواهد داشت.

دیفرانسیل لغزش محدود قفل شونده بیشتر در خودروهای مختص رانندگی آفرود به‌کار می‌رود. در این دیفرانسیل‌ها یک مکانیزم الکتریکی، پنوماتیکی یا هیدرولیکی وظیفه‌ی قفل کردن دو شفت چرخ‌های محرک به یکدیگر را برعهده دارد. مکانیزم قفل کننده به‌طور معمول توسط یک کلید فعال می‌شود و سبب می‌شود که تحت هر شراییطی سرعت چرخش چرخ‌های محرک با یکدیگر برابر باشد. در این سیستم دیگر اهمیتی ندارد که یک چرخ از زمین فاصله گرفته یا لیز می‌خورد، همواره گشتاور میان دو چرخ به‌طور برابر تقسیم می‌شود.

دیفرانسیل لغزش محدود ترسن عملکردی مشابه نمونه‌های قبلی دارد، اما برخلاف هیچ‌یک از دیفرانسیل‌های قبلی در ساختار آن از کلاچ، سیال چگال و قطعات الکترونیکی استفاده نشده است. این دیفرانسیل که نامش از عبارت انگلیسی «Torque Sensing» اقتباس شده است، زمانی که گشتاوری برابر به چرخ‌ها ارسال می‌شود، درست مشابه دیفرانسیل باز عمل می‌کند.

به محض لغزیدن یکی از چرخ‌ها و افزایش سرعت چرخش آن نسبت به چرخ دیگر، دیفرانسیل ترسن این تفاوت را حس کرده و چرخ‌دنده‌های آن به یکدیگر قفل می‌شوند. بزرگ‌ترین مزیت دیفرانسیل‌های ترسن امکان انتقال گشتاور به چرخ با اصطکاک بالاتر با نسبت بیش از یک است. به این معنی که اگر نسبت بایاس گشتاور در یک دیفرانسیل ترسن ۵ به ۱ باشد، این دیفرانسیل قادر است پنج برابر گشتاور بیشتری به چرخ دارای اصطکاک بهتر منتقل کند.

از این دیفرانسیل در بعضی خودروهای تمام چرخ محرک اسپرت و سوپراسپرت استفاده می‌شود و وظیفه‌ی انتقال گشتاور میان محورهای جلو و عقب را برعهده دارد. در این حالت با تشخیص لغزش چرخ‌های محرک یکی از محورها گشتاور به محور دیگر انتقال می‌یابد. اگرچه این یک مزیت کارآمد محسوب می‌شود، اما در صورتی که چرخ‌های یکی از محورها به‌طور کامل اصطکاک خود با سطح را از دست بدهند، این دیفرانسیل قادر به انتقال هیچ گشتاوری به محور دیگر نخواهد بود.