دیفرانسیل چگونه کار می کند؟

دیفرانسیل در خودرو سه هدف کلی را برآورده می‌کند:

1. هدایت توان موتور به چرخ‌ها
2. اعمال آخرین کاهش نسبت دنده
3. اعمال توان به چرخ‌ها در حالی که اجازه چرخش لاستیک‌ها را سرعت‌های متفاوت را به آنها می‌دهد (دلیل اصلی وجود دیفرانسیل)

شما چرا به دیفرانسیل نیازمندید؟
چرخ‌های خودرو با سرعت‌های مختلف مخصوصاً در سر پیچ‌ها می‌گردند. شما می‌توانید در ویدئوی این صفحه  این تفاوت سرعت را مشاهده بفرمایید. همان‌طور که مشخص است چرخی که در داخل پیچ قرار دارد مسافت کمتری را نسبت به چرخ دیگر طی می‌کند. بنابراین چرخی که مسافت کمتر طی می‌کند دارای سرعت دورانی کمتری است.
در چرخ‌های متحرک در خودروها، منظور چرخ‌های عقب در خودروهای دیفرانسیل جلو و چرخ‌های جلو در خودروهای دیفرانسیل عقب، این مسئله چندان اهمیت ندارد. هیچ گونه ارتباطی بین این چرخ‌های وجود ندارد و به طور مستقل گردش می‌کنند. اما چرخ‌های محرک به وسیله سیستم انتقال قدرت و موتور به همدیگر متصل شده‌اند. اگر خودروی شما دیفرانسیل نداشت چرخ‌ها نسبت به یکدیگر قفل می‌شدند. در حقیقت آنها مجبور به داشتن سرعت‌های برابر با هم بودند. این حرکت باعث به سختی پیچیدن خودرو در سر پیچ‌ها می‌شود. برای خودرویی که می‌خواهد در سر پیچ دور بزند حتماً باید یک چرخ لغزش داشته باشد. البته با وجود تایرهای مناسب و جاده‌هایی با اصطکاک کافی، نیروی بسیار زیادی برای لغزش یک تایر نیاز است. [دانلود ویدئو]

دیفرانسیل چیست؟
دیفرانسیل در حقیقت وسیله‌ای است که تورک موتور را به دو مسیر منحرف می‌کند و همچنین اجازه می‌دهد تا هر مسیر دارای سرعت‌های متفاوتی با هم داشته باشند. دیفرانسیل در تمامی خودروها و کامیون‌ها و همچنین خودروهای AWD وجود دارد. این گونه خودروها نیاز به یک دیفرانسیل در بین هر دو چرخ محرک دارد و همچنین به یک دیفرانسیل دیگر بین دو محور عقب و جلو نیازمند است. چون سرعت حرکت چرخ‌های جلو از چرخ‌های عقب کاملاً متفاوت است.
در بعضی از اوقات در خودروهای AWD بین سرعت دورانی چرخ‌های جلو و عقب تفاوتی وجود ندارد چون آنها در اصطلاح نسبت به هم قفل هستند. به همین علت است که زمانی که قفل دیفرانسیل فعال است چرخیدن برای این خودرو بر سر پیچ‌ها بسیار مشکل است.
در شکل زیر شما می‌توانید اجزاء دیفرانسیل را مشاهده نمایید. هنگامی که خودرو در جاده مستقیم حرکت می‌کند، هر دو چرخ با سرعت برابر حرکت می‌کنند. پینیون داخلی (Input Pinion)، چرخدنده رینگ (Ring Gear) و قفسه (Cage) را می‌چرخانند. هیچ کدام از پینیون های داخل قفسه چرخش ندارند. هر دو چرخدنده به قفسه قفل شده‌اند.

به یاد داشته باشید که پینیون داخلی از چرخدنده رینگ کوچکتر است. این آخرین نسبت دنده خودرو شماست. ممکن است واژه‌های نسبت دنده اکسل عقب (Rear Axle Ratio) یا نسبت دنده نهایی (Final Gear Ratio) را شنیده باشید که دقیقا همان معنا و مفهوم آخرین نسبت دنده را می‌دهند.

در انیمیشن‌ فوق می‌توانید نحوه کارکرد دیفرانسیل در سر پیچ را بهتر ببینید. همان‌طور که قبلاً هم اشاره شد چرخ داخل پیچ با سرعت کمتری نسبت به دیگر چرخ‌ها می‌گردد و مسافت کمتری هم طی می‌کند.

رابطه بین نیروی Traction و دیفرانسیل:
دیفرانسیل همواره مقدار مساوی تورک را به هر چرخ می‌دهد. دو وجود دارد تا مشخص شود که چه قدر تورک به هر چرخ اعمال شده است؛ تجهیزات و نیروی جلو برنده. در آب و هوای خشک، نیروی ترکشن تولیدی مسلماً بیشتر وجود دارد و تورک اعمال شده به چرخ‌ها به موتور و چرخ‌دنده ها وابسته می‌شود. در شرایطی که نیروی جلوبرنده کمی می توان یافت مانند روزهای بارانی یا یخبندان، میزان تورک به بیشترین مقداری که باعث لغزش تایرها تحت آن شرایط نشود، وابسته است. بنابراین، هر چند خودرو توانایی تولید تورک بیشتر داشته باشد، ولی نیروی ترکشن کافی وجود ندارد تا تورک را بتواند بر روی جاده انتقال دهد. در این گونه شرایط که نیروی جلوبرنده کافی وجود ندارد با افزودن پدال گاز چرخ‌ها به طور پیوسته شروع به لغزش می‌کنند و با افزایش بیشتر پدال گاز سرعت دورانی چرخ‌ها بیشتر می‌شود.
اگر در یخبندان رانندگی کرده باشید ممکن است این حقه را بشناسید. برای شروع حرکت برای جلوگیری از لغزش مداوم تایرها بهتر است از دنده دو یا حتی سه استفاده کنید به جای استفاده از دنده یک. به خاطر اینکه چرخ‌دنده موجود در گیربکس تورک کمتری را تولید می‌کنند. این حقه باعث می‌شود خودروی شما بدون چرخش اضافی چرخ شروع به شتاب گیری نماید.
همواره به یاد داشته باشید که دیفرانسیل باز در توزیع توان به نحوی عمل می‌کند که تورک مساوی بین هر دو چرخ تقسیم شود.
یکی از موقعیت‌هایی که ممکن است دیفرانسیل باز خودروی SUV یا کامیون شما دچار مشکل شود در جاده‌های غیر شهری (Offroad) است. در دیفرانسیل‌های باز اگر یکی از چرخ‌های جلو و یکی از چرخ‌های عقب بر روی زمین نباشد، آن چرخ به طور مداوم می‌چرخد و کنترل چرخ آن از عهده شما خارج می‌شود. راه حل این مشکل دیفرانسیل‌های باز در خودروها دیفرانسیل با لغزش
محدود است (Limited Slip Differential). در این نوع دیفرانسیل‌ها تایری که در حال لغزش است، تورک بیشتر به تایری فرستاده می‌شود که لغزش کمتری دارد تا نیروی جلوبرنده کافی را بتواند تولید کند.

کلاچ دیفرانسیل با محدود کننده:
این کلاچ قسمتی از LSD (Limited Slip Differential) است که از دو بخش فنر و کلاچ ساخته شده است. برخی از این نوع دیفرانسیل‌ها دارای کلاچ مخروطی شکل هستند که در سیستم انتقال قدرت دستی استفاده می‌شود.
وظیفه فنر، هل دادن چرخ دنده‌های جانبی که به قفسه متصل است، به سمت کلاچ می‌باشد. چرخ‌دنده های جانبی در مسیرهای مستقیم به همراه قفسه با هم و با سرعت یکسان حرکت می‌کنند و نیازی به وجود کلاچ ندارند. زمانی وجود کلاچ مهم می‌شود که یکی از چرخ‌ها با سرعت دورانی بیشتری نسبت به دیگری در حال چرخیدن باشد. در حقیقت کلاچ برای حل چنین مشکلی در دیفرانسیل تعبیه شده است. اگر یکی از تایرها بخواهد بیش از حد بلغزد یا سرعت دورانی آن نسبت به دیگری بیشتر شود باید بر نیروی کلاچ غلبه کند. در اینجا قفل دیفرانسیل معنا پیدا می‌کند و سرعت دورانی هر دو چرخ را با هم برابر می‌کند. سختی فنر موجود در دیفرانسیل به همراه اصطکاک کلاچ وظیفه غلبه بر نیروی تورک اضافی اعمالی بر چرخ را دارد.
فرض کنید که یکی از چرخ‌های محرک روی یخ وجود دارد و دیگر چرخ بر روی آسفالت است که نیروی چلو برنده خوبی را تولید می‌کند. با وجود دیفرانسیل با محدود کننده لغزش، دیگر تایری که بر روی یخ قرار دارد نمی‌تواند بیشترین نیروی تورک را داشته باشد و مدام بی هدف بچرخد. وجود چنین دیفرانسیلی باعث می‌شود که تایری که روی یخ قرار دارد به اندازه تایری که روی آسفالت قرار دارد تورک دریافت کند. بنابراین هر دو تایر میزان تورک برابر دریافت می‌کنند و در نهایت باعث حرکت رو به جلو خودرو می‌شود.

کوپلینگ ویسکوز:
کوپلینگ ویسکوز معمولاً برای خودروهای AWD مورد استفاده قرار می‌گیرد. معمولاً برای برقراری ارتباط بین اکسل عقب و جلو استفاده می‌شود. هنگامی یک جفت از تایرها شروع به لغزش می‌کنند دیگر تورک اعمالی به جفت دیگر تایرها اعمال می‌شود.
کوپلینگ ویسکوز در واقع از مجموعه‌ای از صفحات تشکیل شده که در داخل یک محفظه آب بنده شده قرار دارند که به وسیله سیال با ویسکوزیته بالا پر شده است. مجموعه‌ای از صفحات به هر کدام از شفت‌های خروجی متصل شده‌اند. در شرایط عادی هر دو صفحه و سیال موجود در محفظه با سرعت یکسان می‌چرخند. هنگامی که یک جفت از تایرها شروع به لغزیدن می‌کنند(یک جفت از تایرها با سرعت دورانی بیشتری نسبت به جفت دیگر در حال چرخش هستند)، صفحات مربوط به این یک جفت تایر بیشتر از دیگر صفحات می‌چرخند. سیال با گرانروی بالا در بین صفحات همواره وجود دارد و سعی می‌کند تا صفحاتی که سرعت بیشتری دارند را آرام تر کند. با ایجاد تنش برشی کافی که حال از گرانروی بالای سیال است باعث کند شدن صفحاتی است که سرعت بیشتری دارند می‌شود. با این کار تورک موجود بین هر دو صفحه به میزان مساوی تقسیم می‌شود و مانع از لغزیدن بی هدف یک جفت تایر می‌شود.
کوپلینگ ویسکوز در هنگام دور زدن معمولاً وارد عمل نمی‌شود چون میزان اختلاف تورک موجود چندان زیاد نیست. معمولاً در هنگام دور زدن همان طور که در بالا اشاره شد، باعث لغزش یک تایر نمی‌شود. شاید بتوان این مورد را یکی از عیب‌های کوپلینگ ویسکوز دانست که کوپلینگ ویسکوز وارد عمل نمی‌شود مگر آنکه لغزش واقعی در چرخ اتفاق بیفتد.
یک مثال ساده از تخم مرغ می‌تواند مکانیزم عملکردی کوپلینگ ویسکوز را بیشتر روشن کند. هنگامی که تخم مرغ را در طرفی می‌شکنید در ابتدا هنگامی که آن‌ها را به هم می‌زنید، سفیده تخم مرغ از زرده آن با سرعت بیشتری می‌چرخد در ابتدا. هنگامی که چند لحظه گذشت سرعت هر دو با هم برابر می‌شود. در واقع ما از اصطکاک بین زرده و سفیده استفاده کردیم و سرعت زرده را به سرعت سفیده رساندیم. در حقیقت به زرده تخم مرغ نیرو اعمال کردیم. در کوپلینگ ویسکوز نیروی اعمالی بین سیال با گرانروی بالا و صفحات با هم برابر است تا سرعت صفحات با سرعت گردشی سیال برابر شود.

قفل دیفرانسیل چیست؟
قفل دیفرانسیل برای برخی از خودروهای موجود به صورت‌های مختلفی اعم از مکانیکی، هیدرولییک، نیوماتیکی و برقی وجود دارد. دیفرانسیل Torsen یک سیستم مکانیکی خالص است که هیچ گونه تجهیزات الکتریکی، کلاچ و سیال با گرانروی بالا وجود ندارد.
واژه Torsen از دو کلمه Torque Sensing مشتق شده است. که در واقع فرستادن تورک برابر برای هر دو تایر است. به محض اینکه نیروی ترکشن بر روی یک تایر از بین برود، دیفرانسیل Torsen وارد عمل می‌شود. این دیفرانسیل نسبت ۵ به ۱ در تورک دارد یعنی هنگامی که یک تایر نیروی جلوبرنده خود را از دست می‌دهد، می‌تواند تا میزان ۵ برابر تورک را به تایری بدهد که نیروی جلوبرنده مناسبی داشته باشد.
این وسیله اغلب در خودروهای پر بازده AWD مورد استفاده قرار می‌گیرد. مانند کوپلینگ ویسکوز وظیفه دارد تا از لغزش هر جفت تایر جلوگیری به عمل آورد. دیفرانسیل Torsen نسبت به کوپلینگ ویسکوز دارای مزیت است چون تورک مناسب را به چرخ‌ها اعمال می‌کند قبل از اینکه شروع به لغزیدن نمایند.
هرچند اگر یک جفت از تایرها نیروی جلوبرنده خود را به طور کامل از دست بدهد، دیفرانسیل Torsen توانایی انتقال تورک به دیگر جفت تایر را ندارد. در حقیقت نسبت bias مشخص می‌کند که چه میزان تورک انتقال پیدا بکند، ۵ برابر صفر عددی غیر از صفر را به ما نمی‌دهد.