مقدمه:

دیفرانسیل روی تمام اتومبیل‌ها و کامیون‌های جدید یافت می‌شود . همچنین روی بسیاری از اتومبیل‌هایی که قدرت به چهار چرخ منتقل می‌شود. در اتومبیل‌هایی که نیرو بطور مداوم به چهار چرخ منتقل می‌شود، بین هر دو چرخ به یک دیفرانسیل نیاز است و همچنین باید یک دیفرانسیل بین چرخهای عقب و جلو وجود داشته باشد. چرا که چرخهای جلو ضمن پیچیدن اتومبیل مسیر متفاوتی را نسبت به چرخهای عقب طی می‌کنند.

دیفرانسیل در اکثر خودروها آخرین وسیله یا قطعه ای است که قدرت تولید شده توسط موتور، قبل از چرخاندن چرخها از آن عبور می کند.

دیفرانسیل سه کار را انجام می‌دهد:

1- فرستادن قدرت موتور به چرخها
2- عملکرد به عنوان آخرین مرحله کاهش دنده در خودرو
3- انتقال قدرت به چرخها در حالیکه چرخها با سرعتهای متفاوت گردش می‌کنند.(اسم دیفرانسیل برگرفته از این وظیفه آن است)

در ادامه خواهیم گفت که چرا ماشین شما به دیفرانسیل نیاز دارد، دیفرانسیل آن چگونه کار می‌کند و نواقص آن چیست. همچنین به انواع positractions که به عنوان دیفرانسیل‌های لغزش محدود شناخته می‌شوند، نگاهی خواهیم داشت.

چرا اتومبیل به دیفرانسیل نیاز دارد؟
چرخهای اتومبیل با سرعت‌های متفاوت می‌چرخند، به ویژه هنگام پیچیدن اتومبیل در سر پیچ ها.
می‌توانید دریابید که هنگام پیچیدن اتومبیل چرخها فواصل متفاوتی را طی می‌کنند. چرخ داخلی نسبت به چرخ خارجی مسافت کمتری را طی می‌کند. از آنجایی که سرعت برابر است با جابجایی تقسیم بر زمان جابجایی، چرخی که مسافت کمتری را طی می‌کند سرعتش هم کمتر است. توجه کنید که چرخهای جلو هم نسبت به چرخهای عقب مسیر متفاوتی را طی می‌کنند.
برای چرخهایی که پیشران نیستند و نیروی موتور به آنها منتقل نمی‌شود مشکلی پیش نمی‌آید.مانند چرخهای جلو در یک اتومبیل که چرخهای عقب پیشران هستند و یا چرخهای عقب در اتومبیلی که چرخهای جلو پیشران هستند. اما چرخهای پیشران به هم متصل‌اند بطوریکه یک موتور واحد و یک سیستم انتقال قدرت واحد آنها را به گردش درمی‌آورد. اگر ماشین شما دیفرانسیل نداشته باشد، چرخها به همدیگر قفل خواهند شد پس می‌بایست همیشه با سرعت‌های برابر گردش کنند. با این شرایط پیچیدن اتومبیل با مشکل مواجه می‌شود و یکی از چرخها باید روی زمین بلغزد. با وجود چرخهای مدرن امروزی و خیابان‌های بتنی، نیروی زیادی برای لغزاندن یک چرخ لازم است و این نیرو باید از طریق محور چرخها از یک چرخ به چرخ دیگر منتقل شود که این کار کشش زیادی را بر محور چرخها وارد خواهد کرد.

دیفرانسیل چیست؟
دیفرانسیل وسیله‌ای است که گشتاور انتقالی از موتور را دو قسمت می‌کند تا هر قسمت جداگانه چرخی را به گردش درآورد.
دیفرانسیل روی تمام اتومبیل‌ها و کامیون‌های جدید یافت می‌شود . همچنین روی بسیاری از اتومبیل‌هایی که قدرت به چهار چرخ منتقل می‌شود. در اتومبیل‌هایی که نیرو بطور مداوم به چهار چرخ منتقل می‌شود، بین هر دو چرخ به یک دیفرانسیل نیاز است و همچنین باید یک دیفرانسیل بین چرخهای عقب و جلو وجود داشته باشد. چرا که چرخهای جلو ضمن پیچیدن اتومبیل مسیر متفاوتی را نسبت به چرخهای عقب طی می‌کنند.

در اتومبیل‌هایی که می‌توان نیرو را به یکی از محورها به دلخواه منتقل و یا قطع کرد به دیفرانسیل بین چرخهای عقب و جلو نیازی نیست. در عوض هنگام استفاده از هر دو محور برای انتقال قدرت چرخهای عقب و جلو به هم قفل می‌شوند. بنابراین چرخهای عقب و جلو باید با سرعت‌های متوسط برابر طی مسیر کنند.

دیفرانسیل باز ( open differential )
مطلب را با ساده‌ترین نوع دیفرانسیل یعنی دیفرانسیل باز آغاز می‌کنیم. در آغاز لازم است بعضی از لغات و اصطلاحات مربوطه را توضیح دهیم.

وقتی که اتومبیل روی جاده در خط مستقیم حرکت می‌کند، چرخها با سرعت‌های برابر می‌چرخند. پینین ورودی چرخدنده حلقه‌ای و محفظه جدا کننده را می‌چرخاند. در این شرایط هیچ کدام از چرخدنده‌های داخل محفظه نمی‌چرخند و دو چرخدنده پهلویی به محفظه قفل شده‌اند.

توجه داشته باشید که پینین ورودی نسبت به چرخدنده حلقه‌ای کوچکتر است. این آخرین مرحله کاهش دنده در اتومبیل است. اصطلاحات "نسبت محور عقب" یا "آخرین نسبت رانندگی" را شنیده‌اید این اصطلاحات به نسبت کاهش دنده در دیفرانسیل اشاره دارند.اگر نسبت محور عقب4.10 باشد نسبت تعداد دندانه های چرخدنده حلقه ای به پینیون ورودی 4.10 خواهد بود. برای اطلاعات بیشتر در مورد نسبت دنده‌ها مقاله "چرخدنده‌ها چگونه کار می‌کنند" را مطالعه کنید.

وقتی که اتومبیل می‌پیچد چرخها باید با سرعت‌های متفاوت بچرخند:
چرخدنده‌های داخل محفظه همزمان با شروع به پیچیدن اتومبیل شروع به گردش می‌کنند با این کار این امکان برای چرخها فراهم می‌شود که با سرعت‌های متفاوت بچرخند. چرخ داخلی نسبت به محفظه با سرعت کمتری می‌چرخد در حالی که چرخ بیرونی نسبت به محفظه سریعتر می‌چرخد.

دیفرانسیل‌ها و اصطکاک:
دیفرانسیل باز همواره گشتاورهای برابری را به هرکدام از چرخها منتقل می‌کند. دو عامل تعیین کننده بر مقدار گشتاور اعمالی به چرخها وجود دارد: تجهیزات و اصطکاک. در محیط های خشک که به مقدار کافی اصطکاک وجود دارد، مقدار گشتاور اعمالی به چرخها به وسیله موتور و چرخدنده‌ها محدود می‌شود. در محیط‌هایی که اصطکاک کم است مانند رانندگی برروی یخ گشتاور اعمالی به بیشترین مقدار گشتاوری که از لغزیدن چرخ در این شرایط جلوگیری کند محدود است. بنابراین اگرچه موتور ماشین قابلیت تولید توان بیشتری را دارد اما باید اصطکاک کافی برای انتقال آن به زمین موجود باشد. اگر بعد از اینکه چرخها شروع به لغزیدن کردند بیشتر گاز بدهید فقط چرخها با سرعت بیشتری می‌چرخند.

حرکت روی سطوح لغزنده
اگر تا به حال برروی یخ رانندگی کرده باشید، شاید حقه‌ای را که به وسیله آن شتاب گیری آسان‌تر است فهمیده باشید. اگر به جای دنده یک با دنده دو و یا حتی دنده سه شروع به حرکت کنید به دلیل عملکرد چرخدنده‌ها در سیستم انتقال قدرت گشتاور کمتری به چرخها منتقل می‌شود و این امر امکان حرکت و شتاب گیری بدون لغزش چرخها را فراهم می‌آورد.

حال اگر یکی از چرخها به اندازه کافی اصطکاک داشته باشد اما چرخ دیگر روی یخ باشد چه روی خواهد داد؟ این جایی است که مشکل دیفرانسیل باز، خود نمایی می‌کند.

به خاطر بیاورید که دیفرانسیل باز گشتاور برابری را به هرکدام از چرخها منتقل می‌کند و حداکثر مقدار گشتاور محدود به بیشترین مقداری است که چرخها نلغزند. گشتاور بالایی برای لغزیدن چرخ روی یخ لازم نیست؛ با این شرایط چرخ با اصطکاک مناسب همان مقدار گشتاور کم را که به چرخ دیگر منتقل می‌شود دریافت خواهد کرد که برای به حرکت درآمدن آن کافی نیست پس ماشین شما حرکت نخواهد کرد. 

فاصله گرفتن چرخها از زمین
یکی دیگر از مشکلات دیفرانسیل باز زمانی بروز می‌کند که چرخهای اتومبیل از جاده جدا شوند. اگر شما یک کامیون که قدرت به چهار چرخ اعمال می‌شود یا یک داشته باشید که هم محور عقب و هم محور جلو دیفرانسیل باز داشته باشند. به یاد بیاورید همانطور که قبال گفته شد، دیفرانسیل آزاد همواره گشتاورهای برابری را به چرخها منتقل می‌کند. اگر یکی از چرخهای عقب و یکی از چرخهای جلو از زمین جداشوند، این چرخها فقط در هوا به دور خود می‌چرخند، پس قادر به حرکت نخواهید بود.

راه حل این مشکل دیفرانسیل لغزش محدود است که به آن پزیترکشن (positraction) نیز می‌گویند. دیفرانسیل لغزش محدود از مکانیزم‌های گوناگونی برای انجام عمل دیفرانسیل هنگام پیچیدن اتومبیل استفاده می‌کند. وقتی که یکی از چرخها لیز می‌خورد این دیفرانسیل این امکان را فراهم می‌کند که گشتاور بیشتری به چرخی که نمی‌لغزد منتقل شود.

در قسمتهای بعدی بعضی از انواع دیفرانسیل لغزش محدود را تشریح خواهیم کرد. که شامل نوع کلاچی LSD ، کوپلینگ چسبناک، دیفرانسیل قفل شدنی و تورسن (torsen) است.
دیفرانسیل لغزش محدود نوع کلاچی:
شاید معمولترین نوع دیفرانسیل لغزش محدود نوع کلاچی LSD باشد.

این نوع دیفرانسیل همه اجزای دیفرانسیل آزاد را دارد. اما مازاد بر آنها یک دسته فنر و یک سری کلاچ را دارا می‌باشد. بعضی از آنها یک کلاچ مخروطی را هم دارند درست مانند هماهنگ کننده در سیستم انتقال قدرت دستی.

فنر چرخدنده های کناری را که به محفظه متصلند به کلاچ ها می فشارد، وقتی که چرخها با سرعتهای برابر حرکت می کنند هر دو چرخدنده کناری همراه با محفظه می چرخند و به کلاچها نیازی نیست. تنها وقتی که عاملی باعث شود که یکی از چرخها نسبت به دیگری با سرعت بیشتر بچرخد به کلاچها نیاز است و آنها وارد عمل می شوند. مانند زمانی که اتومبیل می پیچد کلاچها چرخها را وادار می کنند که با سرعت های برابر بچرخند. اگر یکی از چرخها بخواهد که سریعتر بچرخد باید ابتدا بر کلاچها غلبه کند. سختی فنرهایی که با اصطکاک کلاچها همراهند تعیین کننده مقدار گشتاوری است که برای غلبه بر کلاچها لازم است.

اگر به موقعیتی که یکی از چرخها روی یخ است و دیگری اصطکاک کافی برای حرکت دارد برگردیم: با دیفرانسیل لغزش محدود ، گرچه چرخی که روی یخ است قادر نیست که گشتاور زیادی را به زمین منتقل کند، چرخ دیگر همجنان گشتاور مورد نیاز برای حرکت را دریافت خواهد کرد. گشتاور انتقالی به آن برابر با مقدار گشتاور مورد نیاز برای غلبه بر کلاچها است. نتیجه آن است که شما قادر به حرکت خواهید بود، هرچند که از تمام قدرت اتومبیلتان استفاده نمی کنید.

کوپلینگ چسبناک:
کوپلینگ چسبناک غالباً در خودروهایی که قدرت به تمام چرخها منتقل می‌شود به کار می‌رود و معمولا در قسمت میانی بین محور عقب و محور جلو به کار می‌رود تا اگر چرخهای عقب و یا جلو شروع به لغزش کرد گشتاور را به چرخهای دیگر منتقل کند.

همانطور که در تصویر زیر دیده می‌شود این نوع دیفرانسیل شامل دو دسته صفحه است که درون محفظه‌ای که پر از مایع غلیظی است محکم قرار گرفته‌اند. هر دسته از صفحات به یکی از شفت‌های خروجی متصل است. در شرایط عادی هر دو دسته صفحه و مایع غلیظ با سرعت‌های برابر می‌چرخند، اما زمانی که یک دسته از چرخها ( جلو یا عقب) با سرعت بیشتری چرخید (شاید به خاطر لیز خوردن آن) دسته صفحه متصل به آن هم نسبت به دسته صفحه دیگر با سرعت بیشتری می‌چرخد، مایع غلیز که بین صفحات گیر کرده است می‌خواهد که با سرعت صفحاتی که سرعتشان بیشتر است بچرخد و صفحه‌هایی را که با سرعت کمتری می‌چرخند با خود می‌چرخاند. با این شرایط گشتاور بیشتری به چرخهایی که نمی‌لغزند و آرامتر می‌چرخند منتقل می‌شود.

وقتی که اتومبیلی می‌پیچد اختلاف سرعت بین چرخها به اندازه زمانی نیست که یکی از چرخها لیز بخورد. با چرخش سریعتر صفحات نسبت به همدیگر گشتاور بیشتری هم از طریق مایع غلیظ منتقل می‌شود. از آنجایی که گشتاوری که هنگام پیچیدن اتومبیل باید منتقل شود بسیار کوچک است این دیفرانسیل مؤثر نخواهد بود. این مطلب یکی از معایب این نوع دیفرانسیل را نشان می‌دهد که : درست هنگام شروع به لغزش یک چرخ هیچ گشتاوری منتقل نمی‌شود.
برای درک هرچه بهتر رفتار کوپلینگ چسبناک از یک آزمایش ساده با یک تخم مرغ کمک می‌گیریم. اگر تخم مرغ را روی میز آشپزخانه قرار دهید، هم پوسته و هم زرده تخم مرغ ثابتند. اگر به طور ناگهانی تخم مرغ را بچرخانید ، برای مدت کمی پوسته نسبت به زرده با سرعت بیشتری حرکت خواهد کرد، اما زرده خیلی زود با پوسته هم سرعت خواهد شد. برای اثبات اینکه آیا زرده هم می‌چرخد، بعد از اینکه تخم مرغ به چرخش درآمد به سرعت آن را متوقف کرده و سپس آن را رها کنید. خواهید دید که تخم مرغ دوباره شروع به حرکت خواهد کرد (البته تخم مرغ باید نپخته باشد). در این آزمایش ما از نیروی اصطکاک بین پوسته و زرده برای به حرکت درآوردن و سرعت گرفتن زرده استفاده کردیم. وقتی که تخم مرغ را متوقف کردیم اصطکاک _ بین پوسته و زرده که هنوز می‌چرخد _ به پوسته نیرو وارد می‌کند و آن را وادار به حرکت می‌کند. در یک کوپلینگ چسبناک نیرو بین صفحات نیرو بین صفحات و مایع غلیظ درست مانند پوسته و زرده تخم مرغ منتقل می‌شود.

دیفرانسیل قفل شدنی و تورسن(torsen):
دیفرانسیل قفل شدنی برای خودروها در مسیرهای جاده خاکی مناسب است. این نوع دیفرانسیل اجزایی درست مانند دیفرانسیل باز دارد. به علاوه یک مکانیزم پنوماتیکی یا هیدرولیکی الکتریکی به منظور قفل شدن دو جرخدنده خروجی به همدیگر.

معمولا این مکانیزم به وسیله یک سویچ فعال می‌شود، هنگامیکه فعال شد، هر دو چرخ با سرعت‌های برابری خواهند چرخید. اگر یکی از چرخها از زمین جدا شد، به حال چرخ دیگر فرقی نخواهد کرد. درست همانند زمانی که دو چرخ روی زمین هستند با سرعت‌های برابر خواهند چرخید.

دیفرانسیل تورسن یک وسیله کاملا مکانیکی است و از هیچ گونه سیستم الکترونیکی یا کلاچی و یا مایع غلیظ استفاده نمی‌کند.

کلمه تورسن (torsen) برگرفته از Torque Sensing ( حساسیت به گشتاور) است. زمانی که گشتاورهای انتقالی به هر دو چرخ برابرند درست مانند دیفرانسیل باز کار می‌کند. به محض اینکه اصطکاک یکی از چرخها کم شد، اختلاف در گشتاور باعث می‌شود که در دیفرانسیل تورسن چرخدنده‌ها به همدیگر مقید شوند. در این نوع دیفرانسیل طراحی چرخدنده‌ها نسبت تغییر گشتاور را تعیین می‌کند. به عنوان مثال، اگر یک دیفرانسیل تورسن با نسبت 5:1 طراحی شده باشد، این دیفرانسیل قادر خواهد بود که گشتاور تا پنج برابر را به چرخی که اصطکاک کافی دارد منتقل کند.

این وسیله معمولا در خودروهای کلاس بالایی که قدرت به تمام چرخها منتقل می‌شود. مانند سیستم کوپلینگ چسبناک، بیشتر برای انتقال قدرت بین چرخهای عقب و جلو به کار می‌رود. در این کاربرد، سیستم تورسن بر سیستم کوپلینگ چسبناک برتری دارد. زیرا این سیستم به چرخهای ثابتی که شروع به لغزش می‌کند گشتاور وارد می‌کند.

اگر یکی از چرخها کاملا از زمین جدا شود، دیفرانسیل تورسن قادر نخواهد بود هیچ گشتاوری را به چرخ دیگر منتقل کند. نسبت تمایل به تغیر گشتاور مقدار گشتاور انتقالی را تعیین خواهد کرد، و پنج برابر صفر همان صفر خواهد بود.

منبع: تهران الف