دیفرانسیل خودرو یکی از مهم‌ترین خصوصیات فنی هر ماشین است. به طوری که پس از بیان حجم موتور، نوع گیربکس و تعداد دنده‌های آن و توان و گشتاور خروجی موتور، در رابطه با دیفرانسیل آن صحبت می‌شود. اما سوال اینجاست که این خصیصه مربوط به کدام بخش ماشین است؟ و تاثیر نوع و مدل آن در خودرو چیست؟
در این مقاله از رادار جی پی اس تصمیم گرفتیم به بررسی دقیق‌تر دیفرانسیل خودرو بپردازیم. در پایان با مدل‌های مختلف دیفرانسیل و نحوه عملکرد آن آشنا خواهیم شد.
معرفی دیفرانسیل خودرو
دیفرانسیل مجوعه‌ای از چرخ‌دنده‌ها است که در کنار هم ضمن انتقال نیرو، جهت گشتاور را هم تغییر می‌دهند. این سیستم در واقع محور متحرک خودرو بوده و زیر آن قرار می‌گیرد. به کمک دیفرانسیل نیروی گیربکس به چرخ‌های متحرک ماشین منتقل می‌شود. این انتقال نیرو بر اساس نحوه حرکت خودرو در مسیر مستقیم یا سر پیچ‌ها و به تناسب نیاز، میان چرخ‌ها تقسیم می‌شود. هر جفت چرخ ماشین دارای یک محور است. محور جفت چرخ جلویی را محور جلو و محور چرخ‌های عقبی را محور عقب می‌نامند. دیفرانسیل موظف است نیرو را از میل گاردان یا گیربکس دریافت کرده و به محور متحرکت ماشین منتقل نماید.
مسیر انتقال نیرو از موتور به چرخ‌ها، به ترتیب شامل فلایویل،کلاچ، گیربکس، دیفرانسیل، پلوس و چرخ می‌باشد. در این مسیر دیفرانسیل خودرو به عنوان یک سیستم چرخ دنده‌ای، کار تقسیم قدرت موتور میان چرخ‌ها را انجام می‌دهد. به طور مثال هنگام حرکت سر پیچ، چرخ بیرونی خودرو نسبت به چرخ داخلی باید سریع‌تر حرکت کند. در نتیجه دیفرانسیل قدرت بیشتری به چرخ بیرونی داده و از قدرت چرخ داخلی می‌کاهد تا حرکت یکنواختی برای ماشین ایجاد شود. این اتفاق از واژگون شدن خودرو، سر پیچ جلوگیری می‌کند.
تاریخچه روی کار آمدن دیفرانسیل در خودروها
در اغلب ماشین‌های قدیمی، سرعت چرخ‌ها برای گردش در پیچ یکسان بود. به همین سبب معمولا خودروها هنگام پیچیدن، واژگون می‌شدند. این ماشین‌ها فاقد سیستم دیفرانسیل بودند. اما رفته رفته نیاز به حضور این سیستم در ماشین به سبب مشکلات رانندگان هنگام دور زدن سر پیچ‌ها احساس شد. به کمک دیفرانسیل سرعت حرکت چرخ‌ها بر اساس نیاز آن‌ها تعیین می‌شود. در نتیجه زمان دور زدن ماشین با مسئله واژگونی مواجه نخواهد شد.
تاریخ در رابطه با اختراع دیفرانسیل دیدگاه‌های متفاوتی دارد. با این حال روند روی کار آمدن آن را در ادامه می‌خوانیم:
اولین سیستم دیفرانسیل کشف شده به 70 تا 100 سال پیش از میلاد برمی‌گردد. دانشمندان در سال 1902 در لاشه‌های یک کشتی غرق شده، سیستمی شبیه به دیفرانسیل کشف کردند. آن‌ها معتقدند این سیستم برای تعیین زاویه بین موقعیت‌های اکلیپتیک (خسوف و کسوف) خورشید و ماه استفاده می‌شده است.
پس از آن در سال‌های 227 تا 239 میلادی Ma Jun در چین ارابه‌ای به نام جنوب‌نما ساخت که از قطب‌نمای غیرمغناطیسی و نوعی دیفرانسیل بهره می‌برد. سال های 658 تا 666 میلادی نیز سال‌های شکوفایی دو مهندس و راهب چینی بودایی بود که ارابه‌های جنوب‌نما مجهز به سیستم دیفرانسیل ساختند. با گذشت زمان و در سال‌های 1027 تا 1107، بازتولید ارابه جنوب‌نما توسط یان سو و وو درن انجام شد. البته دیفرانسیل به کار رفته در این ارابه‌ها نسبتا پیشرفته‌تر از نمونه‌های قدیمی خود بود.
سال 1720 میلادی نیز جوزف ویلیامسون از سیستم دیفرانسیل در ساعت استفاده نمود.
دیفرانسیل‌های کنونی اولین بار در سال 1827 توسط اونیسفور پیکوئر در ماشین بخار به کار گرفته شد. در سال 1876 جیمز استارلی دیفرانسیلی برای دوچرخه‌ها طراحی کرد. این سیستم بعدها توسط کارل بنز در خودروها مورد استفاده قرار گرفت. سال 1958 نیز دوران روی کار آمدن دیفرانسیل لغزش محدود بود. این سیستم توسط ورنون گلیزمن اختراع شد.
وظیفه دیفرانسیل در خودرو چیست؟
دیفرانسیل به عنوان یکی از اصلی‌ترین سیستم‌های خودرو، سه وظیفه مهم برعهده دارد که عبارتند از:
- کاهش دور و افزایش گشتاور خودرو که توسط پینیون و کرانویل در دیفرانسیل انجام می‌شود. نسبت تبدیل دور و گشتاور در خودروهای سواری معمولا حدود 3.5 تا 4.5 می‌باشد.
- تغییر جهت نیروی دریافتی از گیربکس و انتقال آن به چرخ‌های محرک ماشین که توسط درگیری پینیون و کرانویل انجام می‌شود. محور خروجی گیربکس و خط نیروی محرک در ماشین به صورت عمودی هستند. اما محورهای محرکت چرخ‌ها به صورت افقی زیر ماشین قرار گرفته‌اند. دیفرانسیل موظف است این نیروی عمودی را با تغییر جهت 90 درجه به محور محرک چرخ‌ها منتقل کند.
- تنظیم دور چرخ‌ها هنگام گردش سرپیچ که به سبب پیشگیری از واژگونی خودرو انجام می‌شود. دیفرانسیل نیروی گیربکس را بر اساس نیاز چرخ‌ها تقسیم نموده و امکان حرکت آن‌ها با سرعت متفاوت را ایجاد می‌نماید.
کار دیفرانسیل در ماشین چیست؟
اگر بخواهیم عملکرد دیفرانسیل در ماشین را به صورت خلاصه‌وار بگوییم، باید 4 مورد زیر را در لیست قرار دهیم:
- کاهش دور و افزایش گشتاور خروجی گیربکس برای رسیدن به سرعت و نیروی محرکه لازم در خودرو
- تغییر 90 درجه‌ای صفحه دوران در ماشین‌هایی که موتور و گیربکسشان در راستای طول قرار دارند.
- ایجاد اختلاف دور مناسب میان چرخ داخل پیچ و چرخ بیرونی آن، برای رسیدن به پایداری و استقامت هنگام حرکت سر پیچ
- فراهم کردن اختلاف دور مناسب میان چرخ‌های عقب و جلو در ماشین‌های چهارچرخ محرک که توسط دیفرانسیل مرکزی یا دیفرانسیل سوم انجام می‌شود.
اجزای تشکیل دهنده دیفرانسیل خودرو
خودرو مجموعه‌ای سیستم‌های مختلف که در کنار هم فعالیت نموده و آن را به حرکت درمی‌آورند. این سیستم خود نیز از بخش‌ها و اجزای متعددی تشکیل شده‌اند. در ادامه اجزای تشکیل دهنده دیفرانسیل خودرو را معرفی می‌کنیم:
- هوزینگ وظیفه تنظیم دور چرخ‌ها در زمان حرکت یا دور زدن ماشین را برعهده دارد. هوزینگ دارای 4 چرخ دنده است که دوتای آن هرزگرد و دوتای دیگر چرخ‌دنده‌های سرپلوس هستند. هرزگردها مهم‌ترین بخش در دیفرانسیل هستند.
- چرخ دنده پلوس هنگام عبور از ناهمواری‌های و مسیرهای غیرمستقیم به کمک هرزگرد آمده و گشتاور و سرعت را میان چرخ‌ها تقسیم می‌کند.
- چرخ دنده کرانویل در ارتباط با پینیون و هرزگرد بوده و چرخش پینیون را به هرزگرد منتقل می‌کند. این چرخ دنده به هوزینگ پیچ شده و با چرخش آن به حرکت درمی‌آید. برخی کرانویل را رینگر یا چرخ دنده حلقه‌ای می‌نامند.
- چرخ دنده پینیون که با نام کله گاوی هم شناخته می‌شود، کار انتقال گشتاور از گیربکس به دیفرانسیل را برعهده دارد. این دنده معمولا کوچک‌تر از دنده رینگر است تا انتقال قدرت راحت‌تر صورت پذیرد.
- چرخ دنده هرزگرد وظیفه تنظیم حرکت چرخ‌ها و حفظ تعادل ماشین سر پیچ را برعهده دارد. این چرخ دنده شبیه به مخروط بوده و با شفت به هوزینگ متصل می‌شود. این قطعه توانایی دو نوع چرخش را دارد و با دو دنده کناری خود ترکیب می‌شود. هرزگرد می‌تواند در امتداد چرخ دنده‌ی کرانویل، چرخش حول محور خود حرکت کند.
- چرخ دنده‌های جانبی که کار چرخاندن رینگر را به عهده دارند. این چرخ‌دنده‌ها را سرپلوس هم می‌نامند.
- چرخ دنده‌های اسپایدر حرکت چپ و راست را امکان‌پذیر می‌کنند.
عملکرد دیفرانسیل خودرو چگونه است؟
دیفرانسیل نیروی تولید شده در گیربکس را به کمک دنده پینیون به چرخ دنده کرانویل منتقل می‌کند. چرخ دنده کرانویل به عنوان قطعه مرکزی دیفرانسیل خودرو به هوزینگ متصل است. در نتیجه نیروی دریافتی از پینیون را به هوزینگ و سپس هرزگرد می‌رساند. در نهایت عمل انتقال قدرت صورت می‌گیرد اما این فرآیند بر اساس نوع حرکت خودرو به دو صورت متفاوت انجام می‌شود، که عبارتست از:
1- حرکت خودرو به صورت مستقیم
هنگام حرکت خودرو به صورت مستقیم دیفرانسیل باید سرعتی برابر در هر دو چرخ موازی به وجود آورد. از این رو دنده هرزگرد در امتداد چرخ دنده کرانویل که تحت تاثیر پینیون است، می‌چرخد. این دنده با دوران خود دنده‌های سرپلوس (دنده‌های کناری) را به حرکت درآورده و سرعت برابر در چرخ‌ها ایجاد می‌کند. به عبارت دیگر زمان حرکت مستقیم ماشین، دنده هرزگرد حول محور خود چرخشی نداشته و برخورد آن با دنده‌های کناری همانند یک میله مستقیم می‌باشد. در نتیجه سرعت گردش در هر دو چرخ یکسان خواهد بود.
2- حرکت خودرو در پیچ‌ها و زمان دور زدن
حرکت ماشین در پیچ‌ها و یا زمان دور زدن نیازمند ایجاد تفاوت در سرعت گردش چرخ‌هاست. در این مواقع هرزگرد دیفرانسیل خودرو وارد حساس‌ترین مرحله عملکردش می‌شود. هرزگرد در این مرحله علاوه بر گردش با دنده کرانویل، به دور محور خود نیز شروع به چرخش می‌کند. در این حالت حرکت چرخشی هرزگرد، ترکیبی از گردش در راستای کرانویل و حول محور خود می‌باشد. در نتیجه تاثیر متفاوتی روی دنده‌های جانبی به جا می‌گذارد. به طوری که سرعت حرکت دنده سرپلوس با سرعت چرخش دنده هرزگرد به دور محور خودش تنظیم می‌گردد. زمانی که خودرو به سمت راست می‌پیچد، هرزگرد نیز به سمت راست به دور محور خود می‌چرخد. در نتیجه سرعت دنده جانبی سمت چپ بیشتر شده و لاستیک سمت چپ نیز سریع‌تر به گردش درخواهد آمد. بر این اساس هنگام گردش خودرو به سمت چپ این فرآیند به صورت عکس تکرار خواهد شد.
امروزه برای ایجاد قدرت بیشتر و تحمل گشتاور بالاتر در خودروهای مدرن از 2 دنده هرزگرد استفاده می‌شود. البته در خودروهای سنگین و آفرود ممکن است تعداد این دنده‌ها به 4 عدد هم برسد.
بررسی انواع سیستم‌های دیفرانسیل خودرو
دیفرانسیل خودرو در طول سال‌های حضورش در صنعت خودروسازی تغییرات زیادی به خود دیده است. به طور مثال برخی از قطعات مکانیکی آن حذف شده و با کلاچ‌های الکتریکی و شیرهای کنترل سیال برقی جایگزین شده است. امروزه سیستم‌های دیفرانسیل ماشین دارای مدل‌های مختلفی هستند. این مدل‌ها بر اساس نوع کارایی موتور خودرو و کلاس آن مورد استفاده قرار می‌گیرند.
برای آشنایی با 5 مورد از کاربردی‌ترین سیستم‌های دیفرانسیل خودرو، ادامه مقاله را بخوانید:
1- دیفرانسیل خودرو باز
دیفرانسیل خودرو باز یکی از کاربردی‌ترین مدل‌ها در صنعت خودروسازی است. این مدل در معمولا در خودروهای آفرود و اسپرت مورد استفاده قرار می‌گیرد. دیفرانسیل‌های باز، گشتاور انتقالی از موتور را میان دو چرخ آن تقسیم می‌کنند. طوری که هر یک از چرخ‌ها توانایی چرخش با سرعت‌های مختلف را دارند، اما امکان کنترل گشتاور را ندارند. به عبارت دیگر در این مدل دیفرانسی‌ها، اگر یکی از چرخ‌ها روی زمین نباشد، تمام نیروی حاصل از گیربکس را دریافت می‌کند. در نتیجه چرخ روی زمین که می‌تواند ماشین را به حرکت درآورد، بدون هیچ‌گونه نیرویی از سوی گیربکس باقی خواهد ماند. البته امروزه این مشکل را به واسطه سیستم‌های کنترل پایداری تا حدودی برطرف نموده‌اند.
مزایای دیفرانسیل‌های باز
- عملکرد مناسب در مسیرهای صاف و آسفالت شده
- قیمت ارزان در زمان تولید و تعمیر
- طراحی ساده و بدون پیچیدگی و تعمیر آسان
معایب دیفرانسیل‌های باز
- انتقال تمام قدرت به چرخ‌هایی با کمترین میزان کشش
- رانندگی پردردسر در مسیرهای لغزنده
- عدم کارایی مناسب برای آفرود کردن
2- دیفرانسیل خودرو قفل شونده
دیفرانسیل قفل شونده یکی از مدل‌های کارآمد در عرصه آفرود و رانندگی در مسیرهای صعب‌العبور است. این سیستم در خودروهایی نظیر جیپ رانگلر یا بنز G کلاس به کار رفته است. مهم‌ترین ویژگی آن، قابلیت قفل شدن دیفرانسیل و ایجاد سرعت ثابت در چرخ‌هاست. این ویژگی همان‌قدر که در مسیرهای صعب‌العبور کارآمد است، در مسیرهای معمولی به خصوص در پیچ‌ها، مشکل‌ساز است. البته در چنین خودروهایی اغلب قفل شدن دیفرانسیل تحت اختیار راننده است. دکمه‌های مخصوص کنترل این ویژگی درون کابین و در دسترس راننده تعبیه می‌شود.
مزایای دیفرانسیل‌های قفل شونده
- توانایی ایجاد شتاب و کارایی یکنواخت
- عمملکرد مناسب در زمان فعال نبودن قفل‌ها
- قابلیت کنترل قفل‌ها توسط راننده
معایب دیفرانسیل‌های قفل شونده
- ایجاد سروصدای زیاد هنگام فعال‌سازی قفل‌ها
- وجود فشار زیاد روی شافت‌های محور خودرو
- احتمال بالای بریدن محور چرخ
3- دیفرانسیل ماشین الکترونیکی
سیستم‌های دیفرانسیل ماشین الکترونیکی در سال‌های اخیر بیش از پیش مورد توجه قرار گرفته‌اند. این دیفرانسیل‌ها با سیستم‌های کنترل پایداری در ارتباط هستند. در نتیجه می‌توانند سرعت، زاویه فرمان، وضعیت دریچه گاز، شتاب، درصد انحراف از مسیر و شرایط ترمز را مورد بررسی و پایش قرار دهند. این بررسی‌ها به تنظیم زمان و میزان قفل شدن محور چرخ‌ها توسط دیفرانسیل، در زمانی کمتر از یک هزارم ثانیه می‌انجامد. طراحی این سیستم‌ها به گونه‌ایست که امنیت بیش از سرعت برایشان اهمیت دارد. در نتیجه نمی‌توان با آن‌ها، سرعت و شتاب زیاد را تجربه نمود.
مزایای دیفرانسیل‌های الکترونیکی
- دقت بالا
- سرعت عمل بسیار عالی
- راندمان و عملکرد بهتر نسبت به رقبا
- عملکرد مناسب در جاده‌هایی با شرایط مختلف
معایب دیفرانسیل‌های الکترونیکی
- احتمال خرابی و نقص سیستم الکترونیکی دیفرانسیل
- طراحی پیچیده و تعمیرات نسبتا سخت
- هزینه بالای تعمیرات و تولید نسبت به رقبا
4- دیفرانسیل خودرو LSD
دیفرانسیل خودرو LSD معمولا در ماشین‌های مسابقه‌ای مورد استفاده قرار می‌گیرد. در این مدل، کلاچ به محور خودرو متصل بوده و محور نیز توسط یک رمپ که کلاچ را تحت فشار می‌گذارد، قفل می‌شود. به همین منظور کنترل قفل دیفرانسیل در پیچ‌ها در اختیار راننده امکان‌پذیر خواهد بود. البته عملکرد رمپ در این مدل دیفرانسیل، بستگی به موقعیت دریچه گاز دارد. برخی سیستم‌های LSD را با نام دیفرانسیل لغزش محدود نیز می‌شناسند.
مزایای دیفرانسیل‌های LSD
- امکان آفرود بیشتر نسبت به دیگر مدل‌ها
- عملکرد قابل قبول در جاده‌های آسفالت
- سایش کمتر لاستیک‌ها
- فشار کمتر بر شافت محور خودرو
معایب دیفرانسیل‌های LSD
- عملکرد نچندان مناسب در مسیرهای شنی و گلی
- ناتوانی در ارسال تمام قدرت گیربکس به چرخ‌های دارای اصطکاک
- عدم تناسب در میزان کنترل چرخ‌ها توسط راننده
5- دیفرانسیل تقسیم‌کننده گشتاور
دیفرانسیل تقسیم‌کننده گشتاور یکی از جدیدترین و پیشرفته‌ترین مدل‌های دیفرانسیل در صنعت خودروسازی است. این مدل، علاوه بر انجام وظایف اصلی دیفرانسیل، در فرمان‌پذیری و هندلینگ ماشین نیز موثر است. بیشترین کاربرد این سیستم‌ها در خودروهای چهارچرخ محرک است. دیفرانسیل خودرو جهت‌دهنده گشتاور، اطلاعات سنسورهای سرعت و شتاب را به طور مداوم بررسی نموده و نسبت به شرایط ماشین آگاهی دارند. در نتیجه تقسیم نیرو میان چهارچرخ را به بهترین نحو انجام می‌دهند. این مدل معمولا در خودروهای لوکس و گران‌قیمت به کار می‌رود.
مزایای دیفرانسیل‌های تقسیم‌کننده گشتاور
- جهت‌دهی و تقسیم قدرت گیربکس میان چرخ‌ها به صورت هوشمندانه
- آگاهی از وضعیت سرعت و شتاب خودرو به صورت مداوم
معایب دیفرانسیل‌های تقسیم‌کننده گشتاور
- قیمت بالا نسبت به دیگر مدل‌ها
- وزن سنگین
علائم خرابی دیفرانسیل خودرو چیست؟
نشانه‌ها و علائم خرابی دیفرانسیل خودرو عبارتند از:
- شنیدن صدای زوزه در ماشین که ناشی از لق بودن کرانویل و پینیون و یا خرابی بلبرینگ‌هاست. این مشکل معمولا در اثر روان‌کاری نامناسب و یا وجود فشار زیاد بر سیستم دیفرانسیل ایجاد می‌شود.
- گرم کردن دیفرانسیل که علت آن گیر کردن در گل و لای و وجود آلودگی در دیفرانسیل است.
- تجربه احساسی شبیه به ضربه زدن از سوی دیفرانسیل که در اثر ساییده شدن قطعات داخلی یا خرابی بلبرینگ ایجاد می‌شود.
- عدم حرکت خودرو در اثر بریدن دیفرانسیل که بر اثر فشار زیاد بر پلوس رخ می‌دهد.
انواع خودروها بر اساس تعداد دیفرانسیل
امروزه خودروها را بر اساس تعداد دیفرانسیل‌هایشان گروه‌بندی می‌کنند. در این سبک گروه‌بندی، تعداد چرخ‌های محرک ماشین و نحوه ارتباط آن‌ها با دیفرانسیل مورد توجه است. این تقسیم‌بندی به صورت زیر می‌باشد:
1- خودروهای دیفرانسیل جلو (FWD)
دیفرانسیل جلو در اوایل قرن بیستم در فرانسه تولید شد. ابتدا از آن‌ها در خودروهای مسابقه‌ای استفاده می‌شد. اما امروزه تبدیل به یکی از کاربردی‌ترین سیستم‌های دیفرانسیل در ماشین‌های شهری شده است. در این مدل، قدرت موتور تنها به چرخ‌های جلو منتقل شده و ماشین محور جلو محرک است.
2- خودروهای دیفرانسیل عقب (RWD)
خودروهای دیفرانسیل عقب از جمله قدیمی‌ترین مدل‌ها هستند. امروزه از این مدل کمتر در ساخت ماشین استفاده می‌شود. اما در سال‌های گذشته کاربردی‌ترین مدل برای خودروهای شهری بوده است. در دیفرانسیل‌های RWD قدرت موتور تماما در اختیار چرخ‌های عقب قرار می‌گیرد. در واقع این نیرو از طریق میل گاردان به دیفرانسیل عقب منتقل می‌شود.
3- خودروهای دیفرانسیل چهارچرخ محرک (4WD)
خودروهای دیفرانسیل چهارچرخ محرک معمولا برای آفرود مورد استفاده قرار گرفته و اغلب به صورت شاسی بلند طراحی می‌شوند. دیفرانسیل 4WD، قدرت موتور را میان هر چهارچرخ ماشین منتقل می‌کند. امروزه از این سیستم در ساخت خودروهای شهری و سدان استفاده می‌شود.
دیفرانسیل ماشین سنگین
ماشین‌های سنگین برای حمل بار نیازمند استفاده از دیفرانسیل‌های قدرتمند هستند. در این ماشین‌ها اغلب از دیفرانسیل‌های تمام چرخ متحرک استفاده می‌شود. به این ترتیب تمام قدرت موتور میان چهار چرخ خودرو تقسیم شده و اصطکاک کمتری به وجود خواهد آمد.
سخن پایانی
دیفرانسیل خودرو نقش مهمی در ایجاد تجربه خوب رانندگی ایفا می‌کند. این سیستم علاوه بر کنترل سرعت و شتاب ماشین، ایمنی آن در حرکت را هم فراهم می‌آورد. از این رو بهتر است با مدل‌های آن آشنا بوده و به خوبی علائم خرابی‌اش را بشناسید. این دانش به حفظ و نگهداری بهتر از خودرو کمک زیادی خواهد نمود.
آیا می‌دانید در ماشین شما چه سیستم دیفرانسیلی استفاده شده است؟