معرفی انواع دیفرانسیل خودرو و بررسی عملکرد آن ها

سیستم انتقال قدرت، قوای محرک پیشرانه را می‌گیرد و آن را با‌‌توجه‌‌‌به سرعت و گشتاور، تنظیم می‌کند. جعبه‌دنده، نیروی موتور را به دیفرانسیل می‌فرستد تا اجازه چرخش چرخ‌ها ایجاد شود. دیفرانسیل‌ها در مرحله بعد از جعبه‌دنده قرار دارند و نیروی موتور را با تنظیمات خود به پلوس چرخ‌های خودرو انتقال می‌دهند.

به بیان ساده، قدرت از جعبه‌دنده وارد دیفرانسیل می‌شود و سرانجام به چرخ‌ها می‌رسد. دیفرانسیل تجهیزی است که در بیشتر خودروها قدرت پیشرانه را قبل از چرخ‌ها دریافت می‌کند. در این مقاله، با دیفرانسیل و کارکرد و انواع آن آشنا خواهیم شد.

تاریخچه دیفرانسیل

دیدگاه‌های متنوعی درباره اختراع دیفرانسیل وجود دارد. برخی از نقاط عطف تاریخی برای دیفرانسیل عبارت‌اند از:

• ۷۰ تا ۱۰۰ سال پیش از میلاد مسیح: مکانیزم آنتیکیترا (Antikythera) به این دوره مربوط است. دانشمندان این مکانیزم را در سال ۱۹۰۲ در لاشه‌های یک کشتی غرق‌شده کشف کردند و تحقیقات جدید نشان می‌دهد که از نوعی دیفرانسیل برای تعیین زاویه بین موقعیت‌های اکلیپتیک (خسوف و کسوف) خورشید و ماه و به این ترتیب وضعیت ماه استفاده می‌کردند.

• ۲۲۷ تا ۲۳۹ میلادی: Ma Jun از سلسله پادشاهی Wei در چین اولین ارابه تاریخی جنوب‌نما را اختراع کرد. در این ارابه جنوب‌نما، از مکانیزم قطب‌نمای غیرمغناطیسی و نیز نوعی دیفرانسیل استفاده شده بود.

• ۶۵۸ تا ۶۶۶ میلادی: دو مهندس و راهب چینی بودایی ارابه‌های جنوب‌نما برای تنجی، امپراتور وقت ژاپن، ساختند که در آن از نوعی دیفرانسیل استفاده شده بود.

• ۱۰۲۷ تا ۱۱۰۷ میلادی: بازتولید ارابه جنوب‌نما به‌دست یان سو و سپس وو درن که جزئیاتی از عملکرد مکانیکی و نسبت دنده دستگاه را بسیار بیشتر از سایر موارد شناخته‌شده در چین توصیف می‌کرد.

• سال ۱۷۲۰ میلادی: جوزف ویلیامسون از یک دیفرانسیل در ساعت استفاده کرد.

• سال ۱۸۱۰ میلادی: رودولف آکرمن آلمانی از سیستم چهار چرخ فرمان برای کالسکه‌ها استفاده کرد که برخی بعدها به اشتباه آن را دیفرانسیل گزارش دادند.

• سال ۱۸۲۷: دیفرانسیل کنونی که در خودروهای معاصر استفاده می‌شود، برای اولین‌بار به‌وسیله اونسیفور پیکوئر، ساعت‌ساز فرانسوی، برای کاربرد در ماشین بخار اختراع شد.

• سال ۱۸۳۲: ریچارد رابرتز دستگاهی به نام دنده جبران‌کننده اختراع کرد که به‌عنوان دیفرانسیل لوکوموتیوهای جاده‌ای استفاده شد.

• سال ۱۸۷۴: اولینگ و پورتر از روچستر در لوکوموتیو نوعی دیفرانسیل برای محور عقب استفاده کردند.

• سال ۱۸۷۶: جیمز استارلی دیفرانسیلی برای استفاده در دوچرخه‌ها طراحی کرد؛ اختراعی که بعدها آن را کارل بنز در خودروها به‌کار برد.

• سال ۱۸۹۷: دیوید شیرر در استرالیا اولین‌بار از دیفرانسیل در یک ماشین بخار بهره گرفت.

• سال ۱۹۵۸: ورنون گلیزمن دیفرانسیل تورسن را اختراع کرد. این دیفرانسیل نوعی دیفرانسیل لغزش محدود محسوب می‌شد که به‌جای استفاده از ترکیب کلاچ و چرخ‌دنده، تنها بر دنده‌ها متکی بود.

دیفرانسیل ماشین چیست؟

دیفرانسیل قطعه‌ای است در زیر خودرو بین دو چرخ جلو یا عقب که قدرت پیشرانه را بین دو چرخ تقسیم می‌کند. بعضی خودروها دو دیفرانسیل هستند و برخی نیز تنها از یک دیفرانسیل بهره می‌برد. در خودرو یا دیگر وسایل نقلیه چرخ‌دار، دیفرانسیل‌ها قسمتی از سیستم انتقال قدرت هستند که باعث می‌شوند تا چرخ‌ها با سرعت‌های مختلف و با نیرویی مساوی بچرخند و وظیفه انتقال حرکت از جعبه‌دنده به چرخ‌ها را برعهده دارند.

از آغاز اختراع خودرو، موضوع گردش سریع چرخ‌های عقب خودرو در سر پیچ‌ها فکر مهندسان را به خود مشغول کرده بود؛ چراکه در سر پیچ‌ها، چرخ خارج پیچ باید سریع‌تر از چرخ داخل پیچ حرکت کند و اگر هر دو چرخ‌ روی محور واحدی سوار شوند، ممکن نیست این عمل بدون واژگون‌شدن خودرو صورت گیرد. حل این مشکل با دستگاهی به نام دیفرانسیل انجام گرفت.

دیفرانسیل سه وظیفه مهم برعهده دارد:

۱ . رساندن قدرت پیشرانه به چرخ‌ها: دیفرانسیل یکی از اجزای خط انتقال قدرت است که در رساندن قدرت به چرخ‌ها نقش ایفا می‌کند؛ به‌همین‌دلیل، گاهی اوقات به آن گرداننده نهایی نیز گفته می‌شود.

۲ . کاهش نسبت دنده نهایی خودرو: به‌عنوان کاهنده نهایی نسبت دنده در خودرو عمل می‌کند و سرعت دورانی جعبه‌دنده را یک‌ بار دیگر قبل از رسیدن به چرخ‌ها کاهش می‌دهد.

۳ . اجازه چرخیدن چرخ‌ها با سرعت‌های متفاوت در هنگام پیچیدن: دیفرانسیل به چرخ‌ها اجازه می‌دهد که هنگام چرخیدن در سر پیچ‌ها، علاوه‌بر انتقال نیرو با سرعت‌های متفاوتی بچرخند.

در این مقاله شما خواهید آموخت که چرا خودرو به دیفرانسیل نیاز دارد و چگونه کار می‌کند و ضعف‌هایش چیست. همچنین، انواع مختلف دیفرانسیل را بررسی و تفاوت آن‌ها را باهم مقایسه می‌کنیم.

 

چرا خودرو به دیفرانسیل نیاز دارد؟

چرخ‌های خودرو در بعضی شرایط به‌خصوص هنگام چرخش، با سرعت‌های متفاوتی می‌چرخند. هنگام چرخیدن در سر پیچ‌ها، هر چرخ مسیر متفاوتی دارد و چرخ‌های داخل پیچ مسافت کمتری از چرخ‌های خارج پیچ طی می‌کنند. ازآنجاکه سرعت برابر با مسافت طی‌شده تقسیم بر زمان است، چرخ‌های داخل پیچ باید سرعت کمتری داشته باشند و چرخ‌های خارج پیچ با سرعت بیشتری حرکت کنند. همچنین، باید توجه کنید که چرخ‌های جلو مسافت متفاوتی از چرخ‌های عقب می‌پیمایند.

برای چرخ‌های غیرمتحرک در خودرو – چرخ‌های جلو در خودرو محرک عقب و چرخ‌های عقب در خودرو محرک جلو – مشکل خاصی وجود ندارد؛ زیرا هیچ ارتباطی بین آن‌ها وجود ندارد و به‌طور مستقل می‌چرخند؛ اما چرخ‌های متحرک روی یک محور باهم مرتبط هستند؛ به‌طوری‌که پیشرانه و جعبه‌دنده واحدی هر دو چرخ را به‌حرکت درمی‌آورد.

اگر خودرو دیفرانسیل نداشته باشد، چرخ‌ها به همدیگر قفل می‌شوند و باید با سرعت یکسانی دوران کنند. با وجود لاستیک‌های مدرن و جاده‌های آسفالت، نیروی زیادی برای لغزش تایر روی جاده موردنیاز است. چنین نیرویی باید ازطریق محور خودرو (اکسل) و از یک چرخ به دیگری منتقل شود؛ درنتیجه فشار بسیار زیادی بر اجزای اکسل وارد خواهد شد.

 

اجزای دیفرانسیل خودرو

ساده‌ترین نوع دیفرانسیل را در شکل زیر مشاهده می‌کنید که در این‌جا با اجزای آن آشنا خواهیم شد. تصویر زیر نام تمام اجزای دیفرانسیل ساده را نشان می‌دهد. شماره‌های ۱ تا ۷ به‌ترتیب به پولوس، کرانویل، دنده سرپولوس، دنده هرزگرد، هوزینگ، پینیون و محور میل‌گاردان تعلق دارند.

هنگامی که خودرو به‌طور مستقیم در جاده حرکت کند، هر دو چرخ محرک با سرعت یکسانی می‌چرخند. دنده پینیون (دنده ورودی به دیفرانسیل) نیرو را از جعبه‌دنده می‌گیرد و کرانویل و هوزینگ را به‌همراه خود می‌چرخاند. دنده‌های سرپولوس به هوزینگ قفل شده‌اند و بین آن‌ها دو دنده هزرگرد وجود دارد. در‌حقیقت، دنده‌های هرزگرد نمی‌چرخند و فقط وظیفه تعادل نیرو بین دنده‌های سرپولوس را برعهده دارند.

در حرکت مستقیم، دنده‌های هرزگرد با چرخش هوزینگ می‌چرخند و نیروی خود را به دنده‌های سرپولوس انتقال می‌دهند؛ درنتیجه هر دو چرخ با سرعت یکسانی شروع به چرخش می‌کنند. باوجوداین، اگر مقاومت یکی از چرخ‌ها دربرابر حرکت بیشتر باشد، دنده سرپولوس آن کمتر می‌چرخد و حرکتش را ازطریق دنده‌های هرزگرد به دنده سرپولوس مقابل انتقال می‌دهد؛ بنابراین، چرخی که مقاومت کمتری دارد، با سرعت بیشتری می‌چرخد و این وظیفه را دنده‌های هرزگرد انجام می‌دهند.

پینیون قطر کمتری از کرانویل دارد و درحقیقت مجموعه پینیون و کرانویل آخرین کاهش نسبت دنده در خودرو را انجام می‌دهد. گاهی دیفرانسیل را گرداننده نهایی نام‌گذاری می‌کنند که به نسبت دنده دیفرانسیل اشاره می‌کند. اگر تعداد دندانه‌های پینیون ۹ و کرانویل ۳۶ باشد، نسبت دنده گرداننده نهایی از تقسیم دندانه‌های کرانویل بر پینیون به‌دست می‌آید که ۴ می‌شود. به‌عبارت‌دیگر، نسبت دنده دیفرانسیل ۴:۱ است و اگر پینیون ۴ دور بزند، کرانویل تنها یک‌ بار می‌چرخد. هنگامی که خودرو می‌چرخد، چرخ‌ها باید با سرعت‌های مختلفی چرخش داشته باشند.

در ویدئو، می‌توانید ببینید که هنگامی خودرو شروع به پیچیدن می‌کند، هرزگردها در داخل هوزینگ شروع به چرخش می‌کنند و به چرخ‌ها اجازه می‌دهند با سرعت متفاوتی بچرخند. چرخ داخل پیچ با سرعت کمتری می‌چرخد؛ ولی چرخ خارجی چرخش سریع‌تری دارد.

سیستم دیفرانسیل خودرو

دیفرانسیل وسیله‌ای است که گشتاور پیشرانه را به دو بخش تقسیم می‌کند و به هرکدام از خروجی‌ها اجازه می‌دهد تا با سرعت متفاوتی بچرخند. دیفرانسیل در تمام خودروهای مدرن و کامیون‌ها و بسیاری از وسایل نقلیه تمام‌چرخ محرک یافت می‌شود. خودروهای تمام‌چرخ محرک روی هر مجموعه از چرخ‌ها و بین محورهای جلو و عقب به دیفرانسیل نیاز دارند؛ زیرا چرخ‌های جلو و عقب نیز مسیر متفاوتی می‌پیمایند و باید سرعت متفاوتی داشته باشند.

سیستم‌های چهارچرخ محرک نیمه‌وقت به استفاده از دیفرانسیل بین چرخ‌های جلو و عقب نیازی ندارند؛ درعوض محورهای جلو و عقب باهم قفل می‌شوند؛ به‌طوری‌که چرخ‌های جلو و عقب باید با سرعت متوسط یکسانی ​​چرخش داشته باشند. به‌همین‌دلیل، این خودروها در هنگام استفاده از سیستم چهار چرخ محرک به‌سختی می‌پیچند.

 

روش کار دیفرانسیل

گشتاور ورودی به چرخ‌دنده (آبی) اعمال می‌شود که کل کرانویل یا قفسه (آبی) را می‌چرخاند. کرانویل، تنها ازطریق چرخ‌دنده‌های هرزگرد (سبز) به دو دنده سرپولوس (قرمز و زرد) متصل می‌شود. گشتاور به‌وسیله چرخ‌دنده‌های هرزگرد به دنده‌های سرپولوس فرستاده می‌شود. دنده هرزگرد در اطراف محور کرانویل دَوَران می‌کند و دنده‌های سرپولوس را به چرخش درمی‌آورد. اگر مقاومت در هر دو چرخ برابر باشد، چرخ‌دنده هرزگرد بدون چرخش حول محور خود دَوَران می‌کند. در این شرایط، هر دو چرخ با سرعت یکسانی می‌چرخند.

اگر دنده سرپولوس سمت چپ (قرمز) با مقاومت مواجه شود، چرخ‌دنده هرزگرد (سبز) نیز می‌چرخد و سرعت دنده سرپولوس سمت چپ را کاهش می‌دهد و سرعت چرخش دنده سرپولوس سمت راست (زرد) به همان اندازه افزایش می‌یابد.

انواع دیفرانسیل خودرو

به‌طور کلی، می‌توان انواع دیفرانسیل را در چهار دسته قرار داد:

• دیفرانسیل باز
• دیفرانسیل قفل‌شونده
• دیفرانسیل لغزش محدود
• دیفرانسیل توزیع گشتاور

درادامه، با این دیفرانسیل‌ها آشنا خواهیم شد.

دیفرانسیل باز

اولین و ساده‌ترین نوع دیفرانسیل، نوع باز است. این نوع دیفرانسیل ازدیگر نمونه‌ها ساده‌تر و درنتیجه، هزینه ساخت و تعمیر و نگه‌داری از آن کمتر است. دیفرانسیل باز از تعدادی چرخ‌دنده به‌همراه سه شفت مجزا تشکیل شده است. شفت ورودی (محرک) وظیفه انتقال قدرت از پیشرانه به دیفرانسیل را برعهده دارد. قدرت پیشرانه پس از تغییر با استفاده از ضریب دنده، درنهایت به چرخ‌ها منتقل می‌شود. دو شفت دیگر هر‌یک به یکی از چرخ‌های محرک متصل است و قدرت پیشرانه را از دیفرانسیل به چرخ‌ها منتقل می‌کنند.

هنگامی‌که خودرو در مسیر مستقیم حرکت می‌کند، چرخ‌های محرک با سرعت برابر می‌چرخند. در این حالت، شفت ورودی (محرک) دیفرانسیل قدرت پیشرانه را به چرخ‌دنده رینگی منتقل می‌کند و در حالت حرکت در مسیر مستقیم، شفت‌های متصل به چرخ‌ها با قفل‌شدن به یکدیگر ازطریق تماس با چرخ‌دنده رینگی، با سرعت برابر می‌چرخند.

چرخ‌دنده روی شفت ورودی به دیفرانسیل کوچک‌تر از چرخ‌دنده رینگی است و این یعنی که دیفرانسیل ضریب دنده را کاهش می‌دهد و درنتیجه، سرعت چرخش چرخ‌های محرک برای آخرین‌بار از شفت ورودی کمتر می‌شود. در زمان پیچیدن که سرعت چرخ‌های محرک با یکدیگر متفاوت می‌شود، چرخ‌دنده‌های عنکبوتی تعبیه‌شده در دیفرانسیل وظیفه 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. اگر سطح جاده خشک باشد یا چرخ‌های محرک به‌طور عادی روی سطح جاده قرار داشته باشند، توزیع برابر گشتاور هیچ مشکلی ایجاد نمی‌کند؛ اما زمانی‌که سطح جاده لغزنده باشد، گشتاور بیشتر به‌سمت چرخی انتقال می‌یابد که مقاومت کمتری دارد (می‌لغزد و اصطکاک کمتری دارد).

در حالت عادی، بیشترین میزان گشتاور قابل‌انتقال به چرخ‌ها به‌وسیله پیشرانه و جعبه‌دنده و دیفرانسیل محدود می‌شود؛ اما در حالت لغزندگی جاده، بیشترین میزان گشتاور قابل‌اعمال مقداری است که چرخ دچار لغزش (لیز خوردن) نشود. در این حالت، گشتاور انتقالی به چرخ‌ها باید به‌اندازه‌ای باشد که چرخ دچار لغزیدن نشود و کنترل و هدایت خودرو میسر باشد. به‌همین‌دلیل، بعضی رانندگان در شرایطی که سطح جاده یخ زده باشد، به‌جای استفاده از دنده یک، برای شروع حرکت از دنده دو یا سه استفاده می‌کنند؛ چراکه در این حالت گشتاور کمتری به چرخ‌ها اعمال می‌شود و درنتیجه، احتمال سُر‌خوردن به‌حداقل 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. همان‌طورکه در قسمت پیشین اشاره شد، بیشترین میزان گشتاور قابل‌انتقال 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 ازطریق دیفرانسیل باز به چرخ محرکی منتقل می‌شود که روی سطح لغزنده قرار دارد، درنتیجه 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 درنتیجه، حرکت خودرو دچار مشکل می‌شود. برای حل این معضلات دیفرانسیل لغزش محدود (Limited Slip Differential) ساخته شد که درادامه، آن را معرفی می‌کنیم.

 

دیفرانسیل لغزش محدود

دیفرانسیل باز همواره مقدار گشتاور یکسانی به هرکدام از چرخ‌ها اعمال می‌کند. دو عامل وجود دارد که مقدار گشتاور اعمال‌شده روی چرخ‌ها را تعیین می‌کند: تجهیزات و چسبندگی. در شرایط خشک و زمانی‌که چسبندگی زیادی وجود داشته باشد، مقدار گشتاور اعمال‌شده به چرخ‌ها به‌واسطه پیشرانه و جعبه‌دنده محدود می‌شود؛ اما در شرایطی که چسبندگی کم باشد (مانند هنگام رانندگی روی یخ)، گشتاور به‌اندازه‌ای تنظیم می‌شود که باعث شود چرخ نلغزد. بنابراین، حتی اگر خودرو گشتاور بیشتری هم تولید کند، لازم است چسبندگی کافی وجود داشته باشد تا بتواند این گشتاور را به زمین انتقال دهد. اگر بعد از اینکه چرخ‌ها شروع به لغزش کنند بیشتر گاز دهیم، چرخ‌ها با سرعت بیشتری شروع به هرزگردی می‌کنند.

اگر تا‌به‌حال روی یخ رانندگی کرده باشید، ممکن است با ترفندهایی آشنا باشید که شتاب‌گیری را در چنین شرایطی آسان می‌کنند. اگر به‌جای شروع حرکت با دنده یک، خودرو را در دنده دو یا سه قرار دهیم، خودرو بهتر روی یخ حرکت می‌کند؛ چراکه گشتاور کمتری در دنده‌های بالا دردسترس خواهد بود و باعث می‌شود چرخ‌ها بدون هرزگردی شروع به چرخش کنند.

اگر یکی از چرخ‌ها چسبندگی خوبی داشته باشد (مثلا‌ روی آسفالت) و دیگری روی یخ حرکت کند، چه اتفاقی می‌افتد؟ بازهم دیفرانسیل‌های باز در این شرایط به مشکل برخورد می‌کنند و باید فکری برای عملکرد آن‌ها در شرایط آب‌وهوایی نامساعد کرد. دیفرانسیل باز همیشه گشتاور یکسانی روی هر دو چرخ اعمال می‌کند و حداکثر مقدار گشتاور به بزرگ‌ترین مقداری محدود است که چرخ‌ها را دچار لغزش نکند. وقتی چسبندگی چرخ‌ها با یکدیگر مساوی نباشد، چرخ روی آسفالت گشتاور کمتر و چرخ روی یخ گشتاور بیشتری دریافت می‌کند؛ درنتیجه چرخ روی یخ هرزگردی می‌کند؛ ولی چرخ روی آسفالت بدون حرکت باقی می‌ماند و خودرو نیز حرکت نخواهد کرد.

یکی دیگر از اوقاتی که دیفرانسیل باز با مشکل روبه‌رو می‌شود، هنگام رانندگی آف‌رود یا خارج از آسفالت است. اگر برای رانندگی در چنین مسیرهایی از خودرو چهار چرخ محرک یا شاسی بلند مجهز به دیفرانسیل باز در جلو و عقب استفاده کنیم، در جاهای زیادی زمین‌گیر خواهیم شد. به‌خاطر بسپارید که دیفرانسیل باز همیشه گشتاور یکسانی روی هر دو چرخ اعمال می‌کند. اگر یکی از چرخ‌های جلو و عقب از روی زمین بلند شوند، آن‌ها بدون توقف شروع به چرخش می‌کنند و خودرو نمی‌تواند حرکت کند.

راه‌حل این مشکلات دیفرانسیل لغزش محدود (LSD) است که گاهی اوقات پوزیترکشن نامیده می‌شود. دیفرانسیل لغزش محدود از مکانیزم‌های مختلفی استفاده می‌کند. هنگامی که یکی از چرخ‌ها شروع به لغزش کند، دیفرانسیل لغزش محدود گشتاوری بیشتری به چرخ مقابل (چرخ دارای چسبندگی بیشتر) انتقال می‌دهد تا خودرو بتواند به حرکتش ادامه دهد.

در بخش‌های بعدی، جزئیات بیشتری از انواع مختلف دیفرانسیل‌های لغزش محدود ارائه می‌شود. ازجمله این دیفرانسیل‌ها می‌توان به انواع لغزش محدود نوع کلاچی، کوپلینگ ویسکوز (Viscous Coupling) و دیفرانسیل تورسن (Torsen) اشاره کرد.

 

دیفرانسیل لغزش محدود نوع کلاچی

دیفرانسیل لغزش محدود نوع کلاچی (Clutch-type LSD) احتمالا رایج‌ترین مدل دیفرانسیل لغزش محدود است. نوع کلاچی اجزای یکسانی با دیفرانسیل باز دارد، با این تفاوت که تعدادی فنر و مجموعه‌ای از چنگک‌های اضافه دارد. بعضی از این دیفرانسیل‌ها کلاچ مخروطی دارند که دقیقا شبیه مکانیزم سنکرونایزر (Synchronizer) در جعبه‌دنده دستی عمل می‌کند.

فنرها چرخ‌دنده‌های جانبی را به چنگک‌ها فشار می‌دهند و چنکگ‌ها نیز به‌نوبه خود به هوزینگ متصل هستند. هنگامی که هر دو چرخ خودرو در مسیر مستقیم حرکت می‌کنند، چرخ‌دنده‌های جانبی (هرزگردها) همراه‌با هوزینگ می‌چرخند و به استفاده از کلاچ نیازی نیست. کلاچ‌ زمانی وارد عمل می‌شود که یکی از چرخ‌ها بخواهد با سرعت بیشتری از دیگری حرکت کند؛ مثلا هنگامی که خودرو می‌خواهد بپیچد.

در این شرایط، کلاچ با چنین حرکتی مخالفت می‌کند و می‌خواهد سرعت هر دو چرخ یکسان باشد. اگر یکی از چرخ‌ها بخواهد سریع‌تر بچرخد، باید ابتدا کلاچ را زیر فشار قرار دهد و بر نیروی فنرهای آن غلبه کند. سختی فنرها همراه‌ با اصطکاک مشخص می‌کند که چه میزان گشتاور برای غلبه بر کلاچ لازم است.

بار دیگر به وضعیتی برمی‌گردیم که در آن یکی از چرخ‌های محرک روی یخ است و دیگری چسبندگی خوبی دارد. در این شرایط، اگر از دیفرانسیل لغزش محدود نوع کلاچی استفاده کنیم، حتی اگر چرخ روی یخ نتواند گشتاور زیادی به زمین منتقل کند، چرخ دیگر هنوزهم گشتاور لازم را برای حرکت دارد. گشتاور فراهم‌شده برای چرخی که روی یخ قرار دارد، برابر با مقدار گشتاوری است که برای غلبه بر کلاچ‌ها دریافت می‌کند. نتیجه این است که خودرو می‌تواند رو به جلو حرکت کند؛ اگرچه هنوز تمام قدرت خروجی پیشرانه دردسترس نیست.

 

کوپلینگ ویسکوز

کوپلینگ ویسکوز (Viscous Coupling) اغلب در وسایل نقلیه تمام‌چرخ محرک استفاده می‌شود. معمولا برای اتصال چرخ‌های عقب به چرخ‌های جلو از کوپلینگ ویسکوز بهره برده می‌شود؛ بنابراین، هنگامی که مجموعه‌ای از چرخ‌ها (محور جلو یا عقب) شروع به لغزش کند، گشتاور به مجموعه دیگر منتقل خواهد شد.

کوپلینگ ویسکوز دو مجموعه صفحه در داخل هوزینگ دارد که با سیال غلیظی پر می‌شود. هوزینگ کاملا دربرابر بیرون درزگیری می‌شود و مایع نمی‌تواند از آن خارج شود. یک مجموعه از صفحات به هر شفت خروجی متصل شده است. در شرایط عادی، مجموعه صفحات و سیال هر دو با سرعت مساوی می‌چرخند.

هنگامی که یک مجموعه از چرخ‌ها سعی می‌کند سریع‌تر بچرخد (شاید به‌دلیل لغزش)، مجموعه صفحات مربوط به آن چرخ‌ها سریع‌تر از دیگری شروع به چرخیدن می‌کنند. سیال که بین صفحات گیر کرده است، تلاش می‌کند با دیسک‌های سریع‌تر درگیر شود و حرکت آن‌ها را کُندتر کند و آن‌ها را به‌سمت دیسک‌های کُندتر بکشاند؛ درنتیجه، گشتاور بیشتری به چرخ‌های کُندتر (چرخ‌هایی که لغزش ندارند) منتقل می‌شود.

هنگامی که خودرو می‌پیچد، تفاوت سرعت در میان چرخ‌ها به‌اندازه‌ای بزرگ نیست که یکی از چرخ‌ها می‌لغزد. هرچه صفحات درمقایسه‌با یکدیگر سریع‌تر حرکت کنند، کوپلینگ ویسکوز گشتاور بیشتری انتقال می‌دهد. هنگام چرخیدن خودرو کوپلینگ مداخله نمی‌کند؛ زیرا مقدار گشتاور منتقل‌شده در زمان پیچیدن خیلی کوچک است. بااین‌حال، کوپلینگ ویسکوز معایبی هم دارد. برای مثال، تا زمانی‌که چرخ واقعا شروع به لغزیدن نکند، انتقال گشتاور رخ نخواهد داد و این یکی از معایب مهم چنین دیفرانسیل‌هایی به‌شمار می‌رود.

آزمایشی ساده با یک تخم‌مرغ به توضیح رفتار کوپلینگ ویسکوز کمک می‌کند. اگر تخم‌مرغی را روی میز آشپزخانه قرار دهید، پوسته و زرده هر دو ساکن می‌ایستند. اگر به‌طور ناگهانی تخم‌مرغ را بچرخانید، پوسته تقریبا به‌مدت یک ثانیه سریع‌تر از زرده می‌چرخد؛ اما زرده به‌سرعت خود را با پوسته هم‌سرعت می‌کند، با این تفاوت که پس از ایستادن پوسته، زرده هنوزهم کمی می‌چرخد.

برای اثبات اینکه زرده در حال چرخش است، تخم‌مرغی را بچرخانید و سپس آن را متوقف کنید. می‌بینید که تخم‌مرغ دوباره شروع به چرخش می‌کند؛ مگر اینکه کاملا آب‌پز شده باشد. در این آزمایش، از اصطکاک بین پوسته و زرده برای اعمال نیرو به زرده استفاده کردیم و سرعت آن را افزایش دادیم. هنگامی که پوسته را متوقف کنیم، اصطکاک هنوز بین زرده و پوسته وجود دارد و نیروی به پوسته اعمال می‌کند که باعث می‌شود کمی سرعت بگیرد. در کوپلینگ ویسکوز نیز نیرو بین سیال و مجموعه صفحات به همین شیوه زرده و پوسته تخم‌مرغ عمل می‌کند.

 

دیفرانسیل تورسن

دیفرانسیل تورسن (Torsen) دستگاهی کاملا مکانیکی است که در آن هیچ‌گونه تجهیزات الکترونیکی و کلاچ و سیال (ویسکوز) وجود ندارد. تورسن از ترکیب ابتدای کلمات Torque Sensing به‌دست آمده و در شرایطی که گشتاور روی هر دو چرخ برابر باشد، شبیه دیفرانسیل باز عمل می‌کند.

به‌محض اینکه یکی از چرخ‌ها چسبندگی خود را از دست دهد، تفاوت گشتاور باعث می‌شود چرخ‌دنده‌های دیفرانسیل تورسن باهم درگیر شوند. طراحی دنده‌ها در این نوع دیفرانسیل، نسبت جهت‌گیری گشتاور را تعیین می‌کند. به‌عنوان مثال، اگر دیفرانسیل خاصی با نسبت جهت‌گیری ۱:۵ طراحی شده باشد، آن را قادر می‌سازد تا پنج برابر گشتاور بیشتری به چرخی وارد کند که چسبندگی خوبی دارد.

دیفرانسیل تورسن اغلب در وسایل نقلیه تمام‌چرخ محرک و با عملکرد زیاد استفاده می‌شود. مانند دیفرانسیل نوع کوپلینگ ویسکوز، آن‌ها اغلب برای انتقال قدرت بین چرخ‌های جلو و عقب استفاده می‌شوند. در این کاربرد، نوع تورسن بر کوپلینگ ویسکوز برتری دارد؛ زیرا قبل از اینکه لغزش واقعی رخ دهد، گشتاور را به چرخ‌های ثابت انتقال می‌دهد.

بااین‌حال، اگر مجموعه‌ای از چرخ‌ها کاملا چسبندگی خود را از دست دهد، دیفرانسیل تورسن نمی‌تواند برای مجموعه‌ چرخ‌های دیگر گشتاور فراهم کند. نسبت جهت‌گیری دیفرانسیل تعیین می‌کند که چه مقدار گشتاور می‌تواند منتقل شود و پنج برابر صفر به‌طور مشخص صفر می‌شود؛ درنتیجه، هیچ گشتاوری در این شرایط منتقل نخواهد شد.

 

دیفرانسیل قفل‌شونده

دیفرانسیل قفل‌شونده برای وسایل نقلیه آف‌رود بسیار مفید است. در این نوع، همان قطعات دیفرانسیل باز وجود دارد؛ اما مکانیزم الکتریکی یا بادی یا هیدرولیکی برای قفل‌کردن دو دنده هرزگرد هم به آن اضافه می‌شود. مکانیزم یادشده معمولا با سوئیچ به‌صورت دستی فعال می‌شود یا هنگامی که هر دو چرخ با سرعت یکسانی بچرخند. اگر یکی از چرخ‌ها از روی زمین بلند شود، در حرکت چرخ دیگر مشکلی ایجاد نخواهد شد؛ درنتیجه، هر دو چرخ با سرعت یکسان به چرخیدن ادامه خواهند داد؛ به‌طوری‌که انگار هیچ‌چیزی تغییر نکرده است.

 

دیفرانسیل توزیع گشتاور

توزیع گشتاور یا «Torque Vectoring» فناوری استفاده‌شده‌ای در دیفرانسیل خودرو است که توانایی تغییر گشتاور را در هر نیم‌محور با یک سیستم الکترونیکی دارد. این روش انتقال نیرو اخیرا در خودروهای چهارچرخ محرک رایج شده است. برخی از خودروهای جدید دیفرانسیل جلو نیز از دیفرانسیل توزیع گشتاور پایه بهره می‌برند. با پیشرفت فناوری در صنعت خودرو، خودروهای بیشتری به دیفرانسیل توزیع گشتاور مجهز‌‌‌ند. این فناوری اجازه می‌دهد تا چرخ‌ها برای شروع حرکت و هندلینگ، چسبندگی بهتری با جاده داشته باشند.

عبارت «Torque Vectoring» را اولین بار Ricardo در سال ۲۰۰۶ در ارتباط با فناوری‌‌های پیشرانه آن‌ها استفاده کرد. ایده توزیع گشتاور بر‌‌‌اساس اصول اولیه کارکرد دیفرانسیل استاندارد است. دیفرانسیل توزیع گشتاور وظایف دیفرانسیل ساده را انجام می‌دهد؛ درحالی‌که گشتاور را به‌طور مستقل بین چرخ‌ها منتقل می‌کند. این قابلیت انتقال گشتاور تقریبا در هر شرایطی هندلینگ و کشش را بهبود می‌‌بخشد.

دیفرانسیل‌های توزیع گشتاور در اصل در مسابقات استفاده می‌‌شد و خودروهای رالی میتسوبیشی اولین خودروهایی بودند که از این فناوری استفاده کردند. این فناوری به‌آرامی توسعه یافت و هم‌اکنون، در انواع کمی از خودروهای تولیدی در حال پیاده‌سازی است. امروزه رایج‌ترین کاربرد توزیع گشتاور در خودروها در خودروهای چهارچرخ محرک است.

ایده و اجرای توزیع گشتاور هر دو پیچیده هستند. هدف اصلی توزیع گشتاور تغییر گشتاور به‌طور جداگانه در هر چرخ است. دیفرانسیل‌ها به‌طور‌کلی فقط از اجزای مکانیکی تشکیل شده‌اند. دیفرانسیل توزیع گشتاور علاوه‌بر اجزای مکانیکی استاندارد، به سیستم نظارت الکترونیکی نیز نیاز دارد. این سیستم الکترونیکی زمان و چگونگی تغییر گشتاور را برای دیفرانسیل مشخص می‌کند. با‌‌توجه‌‌‌به تعداد چرخ‌هایی که نیرو دریافت می‌کنند، دیفرانسیل جلو یا عقب کمی پیچیده‌تر از دیفرانسیل چهار چرخ محرک است.

تأثیر توزیع گشتاور تولید گشتاور انحرافی ناشی از نیروهای طولی و تغییر مقاومت جانبی ایجاد‌شده هر تایر است و اعمال نیروی طولی بیشتر مقاومت جانبی قابل‌ایجاد را کاهش می‌دهد. شرایط خاص رانندگی تعیین می‌کند که چگونه بین افزایش یا کاهش شتاب جانبی مصالحه شود. این عملکرد مستقل از فناوری است و می‌تواند با دستگاه‌های انتقال قدرت برای سیستم محرکه معمولی یا با منابع گشتاور الکتریکی به‌دست آید. سپس، عنصر عملی ادغام با عملکردهای پایداری ترمز برای سرگرمی و ایمنی مطرح می‌شود.

 

محرک جلو یا عقب

دیفرانسیل‌های توزیع گشتاور در خودروهای دیفرانسیل جلو یا عقب خیلی پیچیده نیستند؛ اما مزایایی مشابه دیفرانسیل‌‌های چهار چرخ محرک دارند. گشتاور دیفرانسیل فقط بین دو چرخ متفاوت است. سیستم نظارت الکترونیکی فقط دو چرخ را رصد می‌‌کند و پیچیدگی کمتری دارد. در خودرو دیفرانسیل جلو، باید چند فاکتور در نظر گرفته شود. به‌عنوان مثال، سیستم نظارت باید چرخش و زاویه فرمان چرخ‌ها را کنترل کند.

ازآنجاکه این عوامل در هنگام رانندگی متفاوت هستند، نیروهای مختلفی روی چرخ‌‌ها اعمال می‌شود. دیفرانسیل بر این نیروها نظارت و بر‌‌‌این‌‌اساس گشتاور را تنظیم می‌کند. بسیاری از دیفرانسیل‌های خودروهای محرک جلو می‌توانند گشتاور منتقل‌شده به چرخ خاصی را افزایش یا کاهش دهند. این قابلیت باعث افزایش توانایی خودرو برای حفظ کشش در شرایط بد آب‌وهوایی می‌شود.

هنگامی که یک چرخ شروع به لغزش می‌کند، دیفرانسیل می‌تواند گشتاور آن چرخ را کاهش دهد و چرخ به‌طور موثری ترمز کند. همچنین، دیفرانسیل گشتاور را به چرخ مقابل منتقل می‌کند و گشتاور آن را افزایش می‌دهد و به تعادل قدرت خروجی و ثبات حرکتی خودرو کمک می‌کند. دیفرانسیل توزیع گشتاور در خودروهای محرک عقب نیز مشابه عملکرد آن در خودروهای دیفرانسیل جلو عمل می‌کند.

 

خودرو تمام‌چرخ محرک

بیشتر دیفرانسیل‌‌های توزیع گشتاور روی خودروهای چهارچرخ محرک استفاده شده‌اند. در دیفرانسیل توزیع گشتاور ساده، گشتاور بین چرخ‌های جلو و عقب متفاوت است. این یعنی در شرایط عادی رانندگی، چرخ‌های جلو درصد معینی از گشتاور پیشرانه و چرخ‌های عقب بقیه آن را دریافت می‌کنند. در‌صورت نیاز، دیفرانسیل می‌تواند گشتاور بیشتری بین چرخ‌های جلو و عقب منتقل کند تا عملکرد خودرو بهبود یابد.

به‌عنوان مثال، در حالت استاندارد ۹۰ گشتاور تولیدی خودرو می‌تواند به چرخ‌‌های جلو و ۱۰ درصد باقی‌مانده به چرخ‌های عقب برسد. در‌صورت لزوم، دیفرانسیل توزیع گشتاور را به پنجاه‌پنجاه تغییر می‌دهد. این توزیع جدید گشتاور را به‌طور یکنواخت بین هر چهار چرخ پخش می‌کند. داشتن دیفرانسیل توزیع گشتاور حتی باعث افزایش کشش خودرو می‌شود.

دیفرانسیل‌های توزیع گشتاور پیشرفته‌تری نیز وجود دارند. این دیفرانسیل‌ها بر‌‌‌اساس انتقال گشتاور اصلی بین چرخ‌های جلو و عقب عمل و قابلیت انتقال گشتاور بین چرخ‌‌های جداگانه را نیز اضافه می‌کنند. این روش مؤثرتری برای بهبود ویژگی‌های جابه‌جایی ارائه می‌‌دهد. دیفرانسیل روی هر چرخ به‌طور مستقل نظارت و گشتاور موجود را مطابق با شرایط لحظه‌ای توزیع می‌کند.

خودروهای الکتریکی

در خودروهای برقی، سیستم چهار‌چرخ محرک معمولا با دو موتور الکتریکی مستقل (یکی برای هر محور) اجرایی می‌شود. در این حالت، توزیع گشتاور بین محورهای جلو و عقب فقط کنترل الکترونیکی توزیع قدرت بین دو موتور برقی است که می‌تواند در مقیاس میلی‌ثانیه انجام شود.

در خودروهای الکتریکی دارای سه یا چهار موتور، حتی می‌توان توزیع گشتاور دقیق‌تری به‌صورت الکترونیکی اعمال کرد. بدین‌صورت که در حالت چهارموتوره، کنترل گشتاور هر چرخ در هر میلی‌ثانیه انجام می‌شود و در حالت سه‌موتوره نیز، کنترل هرکدام از چرخ‌های دارای موتور به‌صورت لحظه‌ای و محور دارای موتور نیز جداگانه به‌صورت لحظه‌ای کنترل خواهد شد.

اگر دیفرانسیل توزیع گشتاور ازطریق دو موتور الکتریکی فعال شود که روی یک محور قرار دارند، حتی می‌تواند مؤثرتر هم باشد؛ زیرا این پیکربندی می‌تواند برای کمک به ویژگی‌های کم‌فرمانی خودرو و بهبود واکنش گذرای خودرو استفاده شود. وانت برقی تسلا سایبرتراک (برنامه‌ریزی‌شده برای تولید در سال ۲۰۲۲ ) خودرو برقی سه‌موتوره با یک محور با دو موتور است؛ درحالی‌که در وانت برقی ریوین R1T (برنامه‌ریزی‌شده برای تولید در سال ۲۰۲۱) از دو موتور در هرکدام از محورهای جلو و عقب بهره برده می‌شود.

 

علاوه‌بر دیفرانسیل‌های یادشده، دیفرانسیل‌های دیگری نیز وجود دارند که نام آن‌ها کمتر به گوش کسی خورده است. درادامه، با این دیفرانسیل‌ها هم آشنا خواهیم شد.

 

دیفرانسیل اپی‌سیکلیک

دیفرانسیل اپی‌سیکلیک (Epicyclic) از چرخ‌دنده‌های اپی‌سیکلیک برای تقسیم گشتاور بهره می‌برد و گشتاور را بین دو محور جلو و عقب تقسیم می‌کند. دیفرانسیل اپی‌سیکلیک در قلب سیستم انتقال قدرت خودرو تویوتا پریوس استفاده شد که در آن، پیشرانه و موتور الکتریکی و چرخ‌های محرک را به‌هم متصل می‌کند. در این خودرو، از دیفرانسیل دوم برای تقسیم گشتاور معمولی بین چرخ‌های یک محور استفاده می‌شود. مزیت این دیفرانسیل طراحی نسبتا جمع‌وجور در طول محور است.

چرخ‌دنده‌های اپی‌سیکلیک به‌عنوان چرخ‌دنده‌های سیاره‌ای هم نامیده می‌شوند؛ زیرا محور چرخ‌دنده‌های سیاره‌ای در اطراف محور مشترک دنده خورشیدی و رینگی چرخانده می‌شود که آن‌ها را به یکدیگر متصل می‌کند. در تصویر، محور زردرنگ دنده خورشیدی را نشان می‌دهد که تقریبا پنهان به‌نظر می‌رسد. چرخ‌دنده‌های آبی‌رنگ دنده‌های سیاره‌ای هستند و چرخ‌دنده صورتی‌رنگ رینگی است. از چرخ‌دنده رینگی در دنده سراستارت روی فلایویل پیشرانه خودرو هم استفاده می‌شود.

 

دیفرانسیل دنده مستقیم

دیفرانسیل دنده مستقیم (Spur-Gear Differential) با درگیر‌کردن دنده‌های سیاره‌ای دو مجموعه دنده ایپیسیکلیک هم‌محور ساخته می‌شود. پوسته دیفرانسیل به‌عنوان قفسه برای مجموعه دنده سیاره‌ای عمل می‌کند. در این نوع دیفرانسیل، دو دنده مستقیم هم‌اندازه وجود دارد که با فاصله کمی از یکدیگر، هرکدام روی یک نیم‌شفت قرار گرفته‌اند. به‌جای دنده‌های مورب در بخش مرکزی دیفرانسیل، قفسه دوّاری روی هر محور به‌عنوان شفت‌ وجود دارد. گشتاور خروجی از محرک اولیه یا جعبه‌دنده شبیه محور محرک خودرو قفسه را می‌چرخاند.

روی این قفسه یک یا چند جفت پینیون یا دنده‌ هرزگرد یکسان وجود دارد که عموما طول آن‌ها بزرگ‌تر از قطرشان است و معمولا کوچک‌تر از دنده‌های مستقیم روی نیم‌شفت‌ها هستند. هرکدام از پینیون‌ها به‌طور آزادانه روی پین‌های نصب‌شده در قفسه دَوَران می‌کنند. علاوه‌بر‌این، جفت پینیون‌ها به‌طور محوری جابه‌جا می‌شود؛ بنابراین، به‌اندازه بخشی از طول آن‌ها که بین دو چرخ‌دنده مستقیم قرار گرفته است، درگیر می‌شوند و در جهت مخالف یکدیگر می‌چرخند.

طول باقی‌مانده هرکدام از پینیون‌ها با نزدیک‌ترین چرخ‌دنده مستقیم خود درگیر می‌شود؛ بنابراین، هرکدام از پینیون‌ها چرخ‌دنده مستقیم نزدیک خود را به پینیون مقابل متصل می‌کند و آن هم به‌نوبه خود، چرخ‌دنده مستقیم نزدیک‌تر را می‌چرخاند. پس، هنگامی که محور محرک جعبه‌دنده قفسه را می‌چرخاند، ارتباط آن با تک‌تک محورهای چرخ دقیقا شبیه دیفرانسیل باز مجهز به دنده مورب است.

دیفرانسیل دنده مستقیم از دو مجموعه دنده اپی‌سیکلیک یا سیاره‌ای یکسان و هم‌محور ساخته شده است که روی قفسه واحدی نصب شده‌اند و دنده‌های سیاره‌ای آن‌ها باهم درگیر هستند. دیفرانسیل دنده مستقیم مجموعه سیاره‌ای تشکیل می‌دهد که در آن قفسه ثابت شده و نسبت دنده آن‌ها R = -۱ است. در این حالت، فرمول اصلی برای مجموعه دنده سیاره‌ای به‌شکل زیر محاسبه می‌شود:

بنابراین، سرعت زاویه‌ای قفسه (c) دیفرانسیل دنده مستقیم ​​میانگین سرعت زاویه‌ای چرخ‌دنده‌های خورشیدی (a) و رینگی (a) است. در بحث درباره دیفرانسیل دنده مستقیم، استفاده از عبارت چرخ‌دنده رینگی (Annular Gear) روشی مناسب برای تشخیص‌دادن چرخ‌دنده‌های خورشیدی دو مجموعه دنده اپی‌سیکلیک یا سیاره‌ای است. دنده خورشیدی دوم کاربرد مشابهی با دنده رینگی یک مجموعه دنده سیاره‌ای ساده دارد؛ اما به‌وضوح جفتِ چرخ‌دنده داخلی ندارد که در دنده رینگی معمولی دیده می‌شود.

 

سیستم کنترل چسبندگی

یکی از عوارض جانبی و نامطلوب دیفرانسیل باز این است که می‌تواند چسبندگی را در شرایطی که حالت ایدئال وجود ندارد، محدود کند.

گشتاور اعمال‌شده به هریک از چرخ‌های محرک خودرو نتیجه تلاش پیشرانه و جعبه‌دنده و محور محرک برای اعمال نیروی دَوَرانی دربرابر مقاومت چسبندگی روی چرخ است. در دنده‌های پایین‌تر و درنتیجه سرعت‌های کمتر، مگر اینکه بار فوق‌العاده بسیار زیاد باشد، سیستم انتقال قدرت می‌تواند گشتاور موردنیاز را فراهم کند. درنتیجه، عامل محدودکننده در این شرایط چسبندگی زیر هر چرخ خواهد بود؛ بنابراین، بهتر است چسبندگی را به‌عنوان مقدار نیرویی تعریف کنیم که می‌تواند بین سطح تایر و جاده منتقل شود، قبل از اینکه چرخ شروع به لغزش کند.

اگر گشتاور اعمال‌شده به یکی از چرخ‌های محرک بیش از آستانه چسبندگی باشد، آن چرخ دَوَران خواهد کرد و درنتیجه، گشتاور فقط برای چرخ دیگر فراهم می‌شود؛ گشتاوری که با اصطکاک موجود در چرخ لغزنده برابری می‌کند. چسبندگی خالص کاهش‌یافته هنوزهم برای حرکت آرام خودرو کافی خواهد بود.

دیفرانسیل باز (بدون قفل‌ یا سیستم کنترل چسبندگی) همیشه گشتاور تقریبا برابری برای هر سمت خودرو فراهم می‌کند. برای اینکه بفهمید چگونه می‌توان گشتاور اعمال‌شده به چرخ‌های محرک را محدود کرد، خودرو محرک عقب بسیار ساده‌ای را در نظر بگیرید که یکی از چرخ‌های آن روی آسفالت (چسبندگی خوب) و دیگری روی یخ (چسبندگی بسیار ضعیف) قرار دارد.

در این شرایط، دیفرانسیل مانند همیشه گشتاور را به‌طور یکنواخت بین چرخ‌های دو سمت تقسیم می‌کند؛ اما چرخی که روی یخ قرار دارد، به‌دلیل چسبندگی کمتر نمی‌تواند گشتاور دریافت کند و شروع به لغزش خواهد کرد. این در حالی‌ است که چرخ روی آسفالت با وجود چسبندگی زیاد، گشتاور یکسانی دریافت می‌کند؛ البته این میزان گشتاور یکسان صفر خواهد بود و درنتیجه، خودرو اصلا حرکت نمی‌کند.

براساس بار، شیب و…، خودرو به مقدار گشتاور خاصی برای حرکت‌کردن به‌سمت جلو نیاز دارد. ازآنجاکه دیفرانسیل باز میزان گشتاور کلی اعمال‌شده به هر دو چرخ محرک را به میزان دو برابر استفاده‌شده چرخ دارای چسبندگی کمتر محدود می‌کند، وقتی یکی از چرخ‌ها روی سطحی لغزنده قرار بگیرد، گشتاور کلی اعمال‌شده به چرخ‌های محرک کمتر از حداقل گشتاور موردنیاز برای حرکت‌دادن خودرو خواهد بود.

یکی از روش‌های جایگزین که برای توزیع قدرت بین چرخ‌ها پیشنهاد شده، استفاده از مفهوم دیفرانسیل بدون دنده است که پروواتیدیس (Provatidis) آن را معرفی کرد. بااین‌حال، پیکربندی‌های مختلفی که پیشنهاد شده‌اند، به‌نظر می‌رسد شباهت زیادی به نوع «پین کشویی و بادامک»، مانند ZF B-70 موجود در مدل‌های اولیه فولکس‌واگن یا نوع دیفرانسیل توپی دارند.

بسیاری از خودروهای جدید از سیستم کنترل چسبندگی بهره‌مندند. در این خودروها، از دیفرانسیل باز همراه‌ با سیستم ترمز ضدقفل استفاده می‌شود که با متوقف یا محدود‌کردن سرعت چرخ دارای لغزش، گشتاور اعمال‌شده به چرخ مخالف را افزایبش می‌دهد. درنتیجه، عملکرد دیفرانسیل باز نیز بهبود می‌یابد و می‌تواند در شرایط مختلف به‌خوبی عمل کند. درحالی‌که این نوع سیستم کنترل چسبندگی به‌اندازه دیفرانسیل‌های لغزش محدود یا قفل‌شونده مؤثر نیستند، بهتر از دیفرانسیل مکانیکی ساده بدون سیستم کنترل چسبندگی هستند.

 

دیفرانسیل‌ فعال

یکی از فناوری‌های نسبتا جدید دیفرانسیل فعال کنترل الکترونیکی است. واحد کنترل الکترونیکی (ECU) از ورودی‌های چند حسگر و زاویه ورودی فرمان و شتاب جانبی استفاده می‌کند تا بتواند گشتاور را به‌خوبی بین چرخ‌های محرک تقسیم کند و درنتیجه، باعث کاهش رفتارهای نامطلوب فرمان‌پذیری مانند کم‌فرمانی شود.

دیفرانسیل‌‌های فعال کاملا یکپارچه در خودروهایی ازجمله فراری F430، میتسوبیشی لنسر ایوولوشن، لکسوس RC F و GS F استفاده می‌شوند و مدل به‌ کار‌ رفته در چرخ‌های عقب را می‌توان در آکورا RL مشاهده کرد. نسخه تولیدشده ZF نیز در شاسی B8 آئودی S4 و آئودی A4 ارائه می‌شود. فولکس‌واگن گلف GTI نسل هفتم نیز در تیپ پرفورمنس خود به قفل دیفرانسیل عرضی روی محور جلو با کنترل الکترونیکی مجهز است که با نام VAQ شناخته می‌شود.

 

کاربردهای غیرخودرویی دیفرانسیل

ارابه‌های جنوب‌نمای چینی ممکن است اولین کاربرد بسیار مهم دیفرانسیل باشند. ارابه‌های یادشده عقربه‌ای داشتند که دائما به‌سمت جنوب اشاره می‌کرد و مهم نبود که ارابه هنگام حرکت چگونه می‌چرخید؛ بنابراین، چینی‌ها می‌توانستند از این عقربه و مکانیزم دیفرانسیل به‌عنوان نوعی قطب‌نما استفاده کنند.

دانشمندان حدس می‌زنند که مکانیزم دیفرانسیل به‌کار‌رفته در ارابه به هرگونه تفاوت بین سرعت چرخش دو چرخ واکنش نشان و عقربه‌ را به‌درستی در جهت جنوب حرکت می‌داد. بااین‌حال، چنین مکانیزمی به‌اندازه کافی دقیق نبود و پس از چند کیلومتر حرکت‌کردن، عقربه می‌توانست حتی به جهت مخالف نیز اشاره کند.

اولین استفاده کاملا تأییدشده از دیفرانسیل در ساعت ساخت جوزف ویلیامسون در سال ۱۷۲۰ صورت گرفت. ویلیامسون از این دیفرانسیل برای اضافه‌کردن معادله زمان به زمان اصلی محلی به‌منظور ایجاد زمان خورشیدی استفاده کرد. چنین کاربردی دقیقا‌ شبیه خواندن ساعت آفتابی بود. در طول قرن هجدهم، از ساعت‌های آفتابی برای نشان‌دادن زمان «صحیح» استفاده شد؛ به‌طوری‌که ساعت‌های معمولی حتی اگر به‌خوبی هم کار می‌کردند، باید به‌طور مداوم تنظیم می‌شدند.

دلیل این کار، تغییرات فصلی معادله زمان بود که باعث نشان‌دادن زمان غیرواقعی در ساعت‌های معمولی آن دوران می‌شد. ساعت ویلیامسون و سایر ساعت‌های معادله‌ای زمان ساعت آفتابی را بدون نیاز به تنظیم مجدد نشان می‌دادند. امروزه، زمان نشان‌داده‌شده با ساعت‌های معمولی را «صحیح» و معمولا ساعت‌های آفتابی را نادرست می‌دانیم؛ بنابراین، دستورالعمل‌های زیادی برای چگونگی خواندن زمان واقعی این ساعت‌ها ارائه می‌شود و به‌کمک این دستورالعمل‌ها، افراد می‌توانند زمان واقعی را از روی ساعت آفتابی بخوانند.

در نیمه اول قرن بیستم، رایانه‌های آنالوگ مکانیکی موسوم به تحلیلگرهای دیفرانسیلی (Differential Analyzers) ساخته شدند. رایانه‌های آنالوگ مکانیکی از مجموعه دنده دیفرانسیلی برای انجام اعمال ریاضی ازجمله جمع و تفریق استفاده می‌کردند. رایانه کنترل شلیک اسحله Mk1 نیروی دریایی ایالات متحده آمریکا حدود ۱۶۰ دیفرانسیل از نوع دنده مورب بهره می‌برد.

مجموعه دنده دیفرانسیلی می‌تواند برای اندازه‌گیری اختلاف بین دو محور ورودی استفاده شود. ماشین‌ها اغلب از چنین چرخ‌دنده‌هایی برای اعمال گشتاور به محور مدنظر استفاده می‌کنند. از این نوع دیفرانسیل‌ها معمولا در ساعت‌سازی استفاده می‌شود تا دو سیستم تنظیم مجزا را با هدف میانگین‌گیری خطاها به‌هم وصل کند. گروبل فورسی از دیفرانسیل برای اتصال دو سیستم گردابی دوگانه در گرداب چهارگانه دیفرانسیلی (Quadruple Differential Tourbillon) آن‌ها استفاده کرد.

 

خودرو دیفرانسیل جلو

حال که با تقسیم‌بندی انواع دیفرانسیل در خودرو آشنا شدیم، یکی از اصطلاحات متداولی را تعریف می‌کنیم که البته کمتر در مجامع علمی به‌کار می‌رود. به خودرو محرک جلو (FWD) که دیفرانسیل آن در محور جلو قرار دارد، خودرو دیفرانسیل جلو یا محور جلو می‌گویند. در‌این‌میان، فرقی ندارد که نوع دیفرانسیل به‌کار‌رفته در محور جلو چه باشد. همچنین، به خودرو محرک عقب (RWD) که دیفرانسیل آن در محور عقب قرار دارد، خودرو دیفرانسیل عقب یا محور عقب گفته می‌شود.

خودرویی که هر دو محور آن محرک می‌شوند یا به‌عبارت‌دیگر، روی هر دو محور جلو و عقب آن دیفرانسیل وجود داشته باشد، چهارچرخ محرک (AWD/4WD) می‌گویند؛ البته نوع چهار‌چرخ محرک (4WD) با نوع تمام‌چرخ محرک (AWD) تفاوت کوچکی باهم دارند. تفاوت آن‌ها این است که خودرو تمام‌چرخ محرک به‌صورت استاندارد هر دو محور آن درگیر و محرک هستند؛ اما نوع چهارچرخ محرک در حالت عادی فقط یک محور (معمولا محور عقب) محرک است و در شرایط دشوار محیطی مانند رانندگی در مسیرهای خارج از جاده، محور دیگر هم درگیر می‌شود.

 

دیفرانسیل ماشین‌های ایرانی

در بازار ایران، با دو نوع خودرو ساخت داخل و خودرو وارداتی سروکار داریم که نوع دیفرانسیل آن‌ها باهم تفاوت خیلی زیادی ندارد. اکثر خودروهای داخلی در سال‌های اخیر از نوع دیفرانسیل جلو یا محرک جلو هستند؛ ازجمله محصولات سایپا (انواع پراید، تیبا، ساینا و…) و محصولات ایران‌خودرو (خانواده پژو، خانواده سمند، سورن و دنا).

از میان خودروهای قدیمی ساخت داخل هم می‌توان به پیکان اشاره کرد که از دیفرانسیل در محور عقب بهره می‌برد. در میان خودروهای وارداتی نیز، انواع خودروهای کره‌ای و ژاپنی از دیفرانسیل جلو استفاده می‌کنند؛ البته بعضی مدل‌های شاسی‌بلند و آف‌رود نیز در بازار وجود دارند که از سیستم چهارچرخ محرک بهره می‌برند. آشناترین نمونه از خودروهای چهارچرخ محرک در بازار ایران، نیسان پاترول است که شرکت پارس خودرو مونتاژ و به بازار عرضه می‌کرد.

به‌طورکلی، خودروهای دیفرانسیل جلو یا محور جلو با‌‌توجه‌‌‌به حذف برخی قطعات ازجمله میل گاردان، باعث صرفه‌جویی در هزینه‌های سازنده و کاهش وزن نهایی خودرو می‌شوند و همین عوامل باعث می‌شود تا خودروسازان به استفاده از سیستم محرک جلو تمایل بیشتری داشته باشند. هرچند ظهور فناوری‌های جدید و استفاده از سیستم‌های الکترونیکی در صنعت خودرو باعث شده است تا معایب و مشکلات دیفرانسیل‌های صرفا مکانیکی قدیمی در سال‌های اخیر تا حدودی برطرف شود.

 

قیمت دیفرانسیل خودرو در ایران

در زمان نگارش این مطلب (مهر ۱۴۰۰) قیمت قطعات خودرو ثبات چندانی ندارد و همانند سایر محصولات مرتبط، با نوسان قیمتی همراه است. به‌عنوان مثال، دیفرانسیل خودرو پیکان در شرایط کنونی با قیمت حدود ۳ میلیون تومان، دیفرانسیل پژو روآ با قیمت ۳ میلیون و ۲۵۰ هزار تومان، دیفرانسیل پژو آردی ۳ میلیون و ۱۰۰ هزار تومان، دیفرانسیل وانت آریسان ۳ میلیون و ۴۰۰ هزار تومان، دیفرانسیل نیسان ۵ میلیون و ۵۰۰ هزار تومان و دیفرانسیل پراید معمولی حدود ۷۰۰ هزار تومان است. توجه کنید که قیمت‌های ذکر‌شده مربوط به تاریخ انتشار مقاله است و احتمال دارد در آینده با تغییراتی روبه‌رو شود.