ديفرانسيل و انواع آن
مقدمه

دیفرانسیل سه وظیفه اصلی دارد :
۱- نیروی موتور را تغییر جهت داده و به چرخ ها می رساند .
۲- بعنوان آخرین مرحله تغییر دور و گشتاور عمل کرده و دور را کاهش می دهد .
۳- نیرو را به شکلی به چرخ ها می رساند که هر کدام بتوانند با سرعتهای متفاوت بچرخند
( و دیفرانسیل نامش را از همین مورد گرفته است . )
چرا به دیفرانسیل نیاز داریم :

چرخ ها مخصوصا زمانی که اتومبیل دور می زند با سرعتهای متفاوتی می چرخند . بطوری که چرخهایی که به سمت داخل پیچ هستند مسافت کمتری نسبت به چرخهایی که سمت خارج پیچ هستند می پیمایند . از آنجایی که سرعت برا برست با مسافت طی شده تقسیم بر مدت زمان طی مسافت ، چرخهایی که مسافت کمتری
می پیمایند با سرعت کمتری می چرخند.

و نیز می دانیم که چرخهای جلو و عقب مسافتهای گوناگونی را می پیمایند .
برای چرخهایی که نیرو به آنها منتقل نمی شود مشکلی پیش نمی آید . زیرا به یکدیگر متصل نیستند و
می توانند بطور مستقل از یکدیگر بچرخند . اما چرخهایی که نیرو به آنها منتقل میشود دو به دو به یکدیگر متصل اند و هر دو نیروی شان را از یک موتور وگیربکس واحد می گیرند .
اگر اتومبیل دیفرانسیل نداشته باشد چرخ ها به یکدیگر قفل می شوند و با سرعت یکسانی می چرخند و چرخش اتومبیل با دشواری مواجه می شود . در اینصورت یکی از چرخ ها باید در جای خود بلغزد . که می دانیم برای این کار نیروی زیادی لازم است . این نیرو از طریق اکسل از یک چرخ به چرخ دیگر منتقل می شود و فشار زیادی بر اجزای اکسل وارد می کند . علاوه بر این موجب سایش تایر ها می شود .

دیفرانسیل چیست ؟ :
دیفرانسیل وسیله ایست که گشتاور موتور را به دو قسمت تقسیم کرده و به هر قسمت (خروجی) اجازه می دهد که با سرعت متفاوتی بچرخد .
امروزه دیفرانسیل بر روی تمام خودروها و کامیون ها و همچنین برروی خودروهای چهارچرخ متحرک یافت می شود . اتومبیلهای چهارچرخ تحرک علاوه بر وجود دیفرانسیل بین هر دو چرخ متحرک ، به یک دیفرانسیل بین دو جفت چرخهای جلو وعقب نیاز دارند. زیرا چرخهای جلو وعقب طی چرخش اتومبیل با سرعتهای متفاوتی می چرخند .
در اتومبیل هایی که انتخاب بین دو حالت دو چرخ متحرک و چهار چرخ متحرک میسر است، دیفرانسیل مرکزی وجود ندارد . به همین دلیل این اتومبیل ها هنگامی که چهار چرخ متحرک هستند نمی توانند براحتی بر روی سطوح سخت بپیچند .

 

چرخش با سرعتهای متفاوت :
با ساده ترین نوع دیفرانسیل یعنی دیفرانسیل آزاد (دیفرانسیل ساده) شروع می کنیم . زمانی که اتومبیل مسیر مستقیمی را می پیماید هر دو چرخ متحرک با سرعتهای یکسانی می چرخند . شفت پینیون، چرخدنده کرانویل و محفظه را می چرخاند . هیچکدام از چرخدنده های هرزگرد، هرزگردی نمی کنند و چرخدنده های سر پلوس به یکدیگر و به کرانویلقفل شده اند . چرخدنده پینیون چند برابر از چرخدنده کرانویل کوچکتر است و این آخرین مرحله تبدیل نسبت دنده هاست . ممکن است عباراتی مثل نسبت تبدیل اکسل عقب را شنیده باشید . این عبارت بر می گردد به نسبت تبدیل در دیفرانسیل . مثلا اگر این نسبت تبدیل ۴ باشد ، چرخدنده کرانویل ۴ برابر چرخدنده پینیون دنده دارد .

زمانی که اتومبیل می پیچد ، چرخها باید با سرعتهای متفاوتی بچرخند . در این حالت چرخدنده های هرزگرد شروع به چرخش کرده و به چرخدنده های سر پلوس اجازه می دهند 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 بوسیله دیفرانسیل آزاد به دو چرخ منتقل می شود همیشه یکسان است . دو فاکتور مشخص می کند که چه مقدار گشتاور به هر چرخ اعمال شود : تجهیزات ( موتور و دنده ها ) 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 دنده ها دارد .
زمانی که اصطکاک بین چرخها و جاده کم باشد ، مانند زمانی که بر بروی سطح یخی رانندگی می کنیم ، 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 نمی شود بلکه کمتر می شود زیرا ضریب اصطکاک لغزشی از ضریب اصطکاک ایستایی کمتر است ) .
اگر بر روی سطوح یخ زده رانندگی کرده باشید حتما می دانید که حقه ای 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 می کنند و باعث می شوند بدون اینکه چرخها بلغزند بتوانید سرعت بگیرید .

حال چه اتفاقی می افتد اگر یک از چرخها بر روی سطح یخی قرار گرفته و دیگری بر روی سطح خشک ( اصطکاک بیشتر ) قرار گیرد ؟ در اینجا ایراد اصلی دیفرانسیل های آزاد مشخص می شود .
بیاد می آورید که گفتیم دیفرانسیل های آزاد همیشه مقدار مساوی گشتاور به هر دو چرخ اعمال می کنند و نیز بیشترین مقدار گشتاور هر چرخ برابرست با بیشترین مقداری که سبب لغزش آن چرخ نشود . و نیز می دانیم 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 می کند و اتومبیل با نیروی بسیار کمی حرکت می کند.

خارج از جاده :
مورد دیگری که دیفرانسیل های آزاد ما را با مشکل مواجه می کنند زمانی است که خارج از جاده رانندگی می کنیم . هنگام رانندگی در مسیرهای ناهموار اگر یکی از چرخهای متحرک اتصال خود را با جاده از دست بدهد ، بی فایده در هوا می چرخد و اتومبیل نمی تواند حرکت کند ( زیرا تمام نیرو به چرخ لغزنده منتقل می شود ) .
راه حل این مشکل استفاده از دیفرانسیل های ضد لغزش است که گاهی پوزیترکشن نامیده می شوند . دیفرانسیل های ضد لغزش از مکانیزم های مختلفی استفاده می کنند تا قابلیت چرخش آسان سر پیچها را به اتومبیل داده و نیز زمانی که یک چرخ می لغزد ، گشتاور بیشتری را به چرخی که نمی لغزد منتقل کنند .

در قسمتهای بعد برخی از انواع دیفرانسیل های ضد لغزش را شرح خواهیم داد .
دیفرانسیل ضد لغزش کلاچ دار :

دیفرانسیل های ضد لغزش کلاچ دار معمول ترین نوع دیفرانسیل های ضد لغزش هستند . آنها علاوه بر تمام اجزای دیفرانسیل های آزاد ، یک مجموعه فنر و کلاچ هم دارند . بعضی از آنها به کلاچ مخروطی مجهزند که درست مانند سنکرونیزه در گیربکس عمل می کند .

مجموعه فنرها ، چرخدنده های سر پلوس را به کلاچها فشار می دهند که این کلاچها هم به محفظه بسته شده اند .چرخدنده های سر پلوس زمانی که چرخها با سرعتهای مساوی حرکت می کنند با محفظه می چرخند و کلاچها در این زمان تاثیری ندارند . آنها تنها زمانی وارد عمل می شوند که چیزی باعث شود یک چرخ از چرخ دیگر سریعتر بچرخد ( مثلا سر پیچها ) . در این هنگام کلاچها از این عمل جلوگیری می کنند و سعی می کنند که هر دو چرخ را همدور 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 می کند . حال نظر به شرایطی می اندازیم 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 می شود برابرست با مقدار نیرویی که برای غلبه بر نیروی کلاچها لازم است . نتیجه این می شود که اتومبیل می تواند حرکت کند هرچند نه با تمام قدرت .

اتصال هیدرولیکی :
این نوع اتصال معمولا بر روی اتومبیلهای چهارچرخ متحرک یافت می شوند و معمولا چرخهای جلو وعقب را به هم متصل می کنند تا وقتی هرکدام از آنها ( جلو یا عقب ) شروع به لغزش کرد ، گشتاور به دیگری منتقل شود .
اتصال هیدرولیکی تشکی

ل 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 شده اند .در حالت عادی هر دو سری صفحات و روغن داخل محفظه با سرعت یکسانی می چرخند . زمانی که یک ست از چرخها سریعتر از ست دیگر چرخید ( مثلا بعلت لغزش ) ، آن سری از صفحات که به چرخ لغزنده متصل اند سریعتر از سری دیگر صفحات می چرخند . روغن چسبناک ( غلیظ ) که بین صفحات چسبندگی ( اصطکاک ) ایجاد کرده سعی می کند که صفحات را همدور کند . به این ترتیب گشتاور بیشتری به چرخهایی که نمی لغزند منتقل می شود .
هرقدر صفحات داخل محفظه سریعتر بچرخند نیروی بیشتری رامنتقل می کنند . و نیز هنگامی که اتومبیل می پیچد ، تفاوت سرعت میان چرخهای جلو و عقب به اندازه زمانی که یک ست از چرخها می لغزد نیست . به همین دلیل هنگام چرخش اتومبیل عملا نیرویی توسط این سیستم رد و بدل نمی شود . این موضوع یکی از ایرادات اتصال هیدرولیکی را مشخص می کند ، نیرو تنها زمانی منتقل می شود که یک سری از چرخها شروع به لغزش کند .

آزمایش ساده ای بوسیله یک تخم مرغ خام رفتار اتصال هیدرولیکی را مشخص می کند . یک عدد تخم مرغ را روی میز می گذاریم ، پوسته تخم مرغ و محتویات درون آن هردو ثابت هستند . اگر ناگهان تخم مرغ را بچرخانیم در یک لحظه پوسته سریعتر از زرده می چرخد و پس از مدت کوتاهی همدور می شوند . حال ناگهان تخم مرغ را نگه می داریم و آنرا رها می کنیم . مشاهده می شود تخم مرغ دوباره شروع به حرکت می کند . 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 می کند . 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 می برد . این مکانیسم معمولا بوسیله یک سویچ فعال می شود و باعث می شود 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 می دهد .
دیفرانسیل های 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 می کند . به محض اینکه یکی از چرخ ها اصطکاک خود را با زمین از دست داد ، تفاوت بین نیروی دو چرخ باعث می شود چرخ دنده های داخل دیفرانسیل به یکدیگر قفل شوند . طراحی چرخ دنده های این دیفرانسیل تعیین کننده نسبت تمایل نیرو[۱۶] است . بعنوان مثال اگر یک دیفرانسیل تورسن با نسبت تمایل ۵:۱ طراحی شده باشد ، قابلیت این را دارد که ۵ برابر نیروی بیشتری به چرخی که اصطکاک بهتری دارد اعمال نماید .

این وسیله در اتومبیل های چهار چرخ متحرک قدرتمند یافت می شود و مثل اتصال هیدرولیکی معمولا برای انتقال نیرو بین چرخهای جلو و عقب مورد استفاده قرار می گیرد . در این صورت بر اتصال هیدرولیکی ارجحیت دارد . زیرا نیرو را قبل از اینکه سبب لغزش چرخی شود به چرخهای دیگر منتقل می کند .
هرچند اگر یک ست از چرخ ها ( جلو یا عقب ) کاملا اصطکاکش را از دست بدهد ، دیفرانسیل تورسن نمی تواند نیرو را به ست دیگر چرخ ها برساند . زیرا نسبت تمایل آن معین می کند که چه میزان نیرو منتقل شود و صفر ضرب در پنج می شود صفر !

 

گشتاور خروجي از گيربکس بايد طي مکانيزمي به چرخها برسد. وظيفه خط انتقال، انتقال گشتاور خروجي از انتهاي جعبه دنده به ديفرانسيل و نهايتاً از آنجا به چرخهاست. طراحي خط انتقال بايد به گونه اي باشد که طول و زاويه آن در حين کار کردن اتومبيل بتواند تغيير کند، در واقع بايد گشتاور را تحت زواياي مختلف و به فواصل مختلف از يک محور به محور ديگر انتقال دهد.
سپس گشتاور منتقل شده توسط ميل گاردان بايد بنحوي چرخش ۹۰ درجه اي پيدا کند، چرا که ميل گاردان در راستاي طول اتومبيل قرار دارد در حالي که محور محرک چرخها در عرض خودرو قرار دارند. براي اين کار از چرخدنده هاي پينيون و کرانويل استفاده مي شود. پس از آن گشتاور وارد ديفرانسيل شده و با انتقال آن توسط محور هاي محرک يا پلوسها به چرخها مي رسد.

البته موارد فوق در خودرو هاي ديفرانسيل عقب به صورت کامل وجود دارند، ولي در خودروهاي ديفرانسيل جلو که معمولاً جعبه دنده در آنها بصورت عرضي قرار گرفته اند، قسمت مربوط خطوط انتقال حذف مي شود؛ در واقع گشتاور بلافاصله از جعبه دنده وارد ديفرانسيل و سپس از آنجا به چرخها مي رسد.
خطوط انتقال در خودروهاي ديفرانسيل عقب

در خودروهاي ديفرانسيل عقب و موتور جلو، خط انتقال، شفت عقب گيربکس را به اکسل عقب متصل مي کند. اکسل عقب شامل دنده هاي کرانويل، ديفرانسيل و ميل پلوسهايي است که چرخهاي عقب را به حرکت در مي آورند.
موتور و جعبه دنده به بدنه و شاسي متصلند اما پوسته اکسل عقب همراه با چرخهاي عقب بالا و پايين مي رود، بنابراين خطوط انتقال را بايد بنحوي طراحي نمود که طول و زاويه آن در حين کار خودرو تغيير يابد. خط انتقال از مجموعه اي از يک يا چند ميل گاردان، قفل گاردان و کشويي گاردان تشکيل مي شود.

پينيون و کرانويل
عمل اين قسمت در واقع فراهم ساختن يک نسبت دائمي کاهش سرعت است و همچنين چرخش ۹۰ درجه اي مسير گشتاور انتقالي. نسبت کاهش سرعت در اين قسمت در حدود ۴:۱ براي خودروهاي معمولي تا ۱۰:۱ براي خودروهاي سنگين متغير است. اين عمل در يک يا دو مرحله انجام مي شود. براي کاهش کمتر از حدود ۷:۱ اين عمل يک مرحله اي و براي کاهش بيشتر اين کار در دو مرحله صورت مي گيرد. کاهش دور توسط يکدست چرخدنده صورت مي گيرد که گشتاور دريافتي از محور خروجي جعبه دنده را به ديفرانسيل انتقال مي دهند. اين چرخدنده ها از دو چرخدنده که يکي کوچکتر بنام پينيون ( pinion ) و ديگري بزرگتر بنام کرانويل ( crown wheel ) تشکيل مي شود. البته گاهي اوقات و در برخي موارد از جمله در خودروهاي سنگين بجاي پينيون و کرانويل از حلزون ( worm ) و چرخ حلزون ( worm wheel ) استفاده مي شود که بعلت اصطکاک بيشتر راندمان مکانيکي کمتري نسبت به چرخ دنده ها دارند، اما نيروي فشارنده آنها بيشتر است و استفاده از آنها در جاهاييکه کاهش سرعت بيشتري مورد نياز مي باشد، مناسبتر است. (شکل۳-۶)

شکل۳-۶ حلزون و چرخ حلزون که در خودروهاي سنگين استفاده مي شود.
در زير به سه نمونه از دنده هايي که بعنوان پينيون-کرانويل در خودروها مورد استفاده قرار مي گيرند اشاره شده است :

۱) straight bevel gears
در اين حالت پينيون و کرانويل، چرخدنده هاي ساده هستند. اين پينيون و کرانويل در واقع ساده ترين و ارزانترين نوع آنهاست. مشکل اصلي آنها اين است که در اين حالت دنده ها به طور پيوسته با هم درگير نيستند و حالت درگيري وخلاصي پشت سرهم دارند و باعث ايجاد ضربه و ايجاد صدا مي شوند.

شکل۳-۷ straight bevel gears
2) spiral bevel gears
اين نمونه نيز همانند حالت قبلي است با اين تفاوت که از چرخدنده هاي مارپيچي بجاي چرخدنده هاي ساده استفاده شده است که باعث کارکرد نرمتر سيستم در اين حالت مي شود، ضمن اينکه بعلت تماس پيوسه دنده ها با هم از ميزان سروصدا در اين حالت کاسته مي شود.

شکل۳-۸ spiral bevel gears
3) hypoid gears
اين چرخدنده ها نيز دنده هاي مارپيچي دارند و تنها تفاوت آن با حالت قبل در اين است که در اينجا پينيون زير خط مرکزي کرانويل قرار مي گيرد؛ در نتيجه ميل گاردان پايين تر مي آيد و مي توان کف اتاق و مجراي عبور ميل گاردان را پايين تر در نظر گرفت. همچنين از ديگر مزاياي اين حالت، اين است که تعداد دنده هاي درگير براي حمل بار در اين سيستم بيشتر است.
شکل۳-۹ hypoid gears
ديفرانسيل در واقع دستگاه يا مجموعه چرخدنده اي است که بين دو محور قرار مي گيرد و به آنها امکان مي دهد در صورت لزوم با سرعتهاي متفاوت بچرخند و در عين حال گشتاور هم منتقل کنند.
فرض کنيد ديفرانسيلي در کار نباشد و هر دو چرخ عقب به دو سر يک ميله صلب متصل هستند. در اين حالت چرخها همواره با هم و با سرعت برابر مي چرخند و سعي مي کنند همواره مسافتي برابر هم را طي کنند. در چنين شرايطي اگر خودرو قصد عبور از پيچي را داشته باشد، لاستيک داخلي مسافت کمتري را طي خواهد کرد و در نتيجه به سرعت ساييده خواهد شد؛ در اين حالت کنترل خودرو نيز دشوار است.
وجود ديفرانسيل از بروز چنين مشکلاتي جلوگيري مي کند و به چرخ بيروني اين امکان را مي دهد که سريعتر بچرخد و در حين عبور از پيچ، نسبت به چرخ داخلي مسافت بيشتري را طي کند.

ديفرانسيل شامل دو دنده مرتبط به پلوس مي باشد که بنام دنده پلوس ناميده مي شود و نيز دو دنده پينيون که بر روي دنده پلوس مي گردند. (شکل۳-۱۰) پينيونها نيز توسط يک محور به هم متصل هستند. وقتي اتومبيل در جاده مستقيم حرکت مي کند، دنده پينيونها حول محور خود نمي چرخند بلکه کلاً بصورت يکپارچه حول دنده پلوسها مي گردند و آنها به حرکت در مي آورند. اما هنگاميکه اتومبيل وارد پيچ مي شود، چرخ داخلي مسافت کوتاهتر و چرخ بيروني مسافت بيشتري را طي مي کند. دنده ها پينيونهاي ديفرانسيل به هر دو دنده پلوس گشتاور مساوي وارد مي کنند. اما نامساوي بودن بارهايي که چرخها وارد مي کنند سبب مي شود که دنده پينيونها چرخش حول محور خود را آغاز کنند. آنها در پيرامون دنده پلوس مرتبط با چرخ داخلي که آهسته تر مي چرخد حرکت مي کنند. در نتيجه سرعت دنده پلوس مرتبط با چرخ بيروني به همان اندازه افزايش مي يابد.