مقاله و پروژه های دانشجویی ، نرم افزار و بازی اندروید ، آهنگ

تعریف دیفرانسیل و وظایف آن

دیفرانسیل و انواع آن

مقدمه

دیفرانسیل سه وظیفه اصلی دارد :
1- نیروی موتور را تغییر جهت داده و به چرخ ها می رساند .
2- بعنوان آخرین مرحله تغییر دور و گشتاور عمل کرده و دور را کاهش می دهد .
3- 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 .

*****************************۸۸۸۸

دیفرانسیل و انواع آن

مقدمه

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 4 باشد ، چرخدنده کرانویل 4 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 تشکیل 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[16] است . بعنوان مثال اگر یک دیفرانسیل تورسن با نسبت تمایل 5:1 طراحی شده باشد ، قابلیت این را دارد که 5 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 خروجی از گیربکس باید طی مکانیزمی به چرخها برسد. وظیفه خط انتقال، انتقال گشتاور خروجی از انتهای جعبه دنده به دیفرانسیل و نهایتاً از آنجا به چرخهاست. طراحی خط انتقال باید به گونه ای باشد که طول و زاویه آن در حین کار کردن اتومبیل بتواند تغییر کند، در واقع باید گشتاور را تحت زوایای مختلف و به فواصل مختلف از یک محور به محور دیگر انتقال دهد.

سپس گشتاور منتقل شده توسط میل گاردان باید بنحوی چرخش 90 درجه ای پیدا کند، چرا که میل گاردان در راستای طول اتومبیل قرار دارد در حالی که محور محرک چرخها در عرض خودرو قرار دارند. برای این کار از چرخدنده های پینیون و کرانویل استفاده می شود. پس از آن گشتاور وارد دیفرانسیل شده و با انتقال آن توسط محور های محرک یا پلوسها به چرخها می رسد.

البته موارد فوق در خودرو های دیفرانسیل عقب به صورت کامل وجود دارند، ولی در خودروهای دیفرانسیل جلو که معمولاً جعبه دنده در آنها بصورت عرضی قرار گرفته اند، قسمت مربوط خطوط انتقال حذف می شود؛ در واقع گشتاور بلافاصله از جعبه دنده وارد دیفرانسیل و سپس از آنجا به چرخها می رسد.

خطوط انتقال در خودروهای دیفرانسیل عقب

در خودروهای دیفرانسیل عقب و موتور جلو، خط انتقال، شفت عقب گیربکس را به اکسل عقب متصل می کند. اکسل عقب شامل دنده های کرانویل، دیفرانسیل و میل پلوسهایی است که چرخهای عقب را به حرکت در می آورند.

موتور و جعبه دنده به بدنه و شاسی متصلند اما پوسته اکسل عقب همراه با چرخهای عقب بالا و پایین می رود، بنابراین خطوط انتقال را باید بنحوی طراحی نمود که طول و زاویه آن در حین کار خودرو تغییر یابد. خط انتقال از مجموعه ای از یک یا چند میل گاردان، قفل گاردان و کشویی گاردان تشکیل می شود.

پینیون و کرانویل

عمل این قسمت در واقع فراهم ساختن یک نسبت دائمی کاهش سرعت است و همچنین چرخش 90 درجه ای مسیر گشتاور انتقالی. نسبت کاهش سرعت در این قسمت در حدود 4:1 برای خودروهای معمولی تا 10:1 برای خودروهای سنگین متغیر است. این عمل در یک یا دو مرحله انجام می شود. برای کاهش کمتر از حدود 7:1 این عمل یک مرحله ای و برای کاهش بیشتر این کار در دو مرحله صورت می گیرد. کاهش دور توسط یکدست چرخدنده صورت می گیرد که گشتاور دریافتی از محور خروجی جعبه دنده را به دیفرانسیل انتقال می دهند. این چرخدنده ها از دو چرخدنده که یکی کوچکتر بنام پینیون ( pinion ) و دیگری بزرگتر بنام کرانویل ( crown wheel ) تشکیل می شود. البته گاهی اوقات و در برخی موارد از جمله در خودروهای سنگین بجای پینیون و کرانویل از حلزون ( worm ) و چرخ حلزون ( worm wheel ) استفاده می شود که بعلت اصطکاک بیشتر راندمان مکانیکی کمتری نسبت به چرخ دنده ها دارند، اما نیروی فشارنده آنها بیشتر است و استفاده از آنها در جاهاییکه کاهش سرعت بیشتری مورد نیاز می باشد، مناسبتر است. (شکل3-6)

شکل3-6 حلزون و چرخ حلزون که در خودروهای سنگین استفاده می شود.

در زیر به سه نمونه از دنده هایی که بعنوان پینیون-کرانویل در خودروها مورد استفاده قرار می گیرند اشاره شده است :

1) straight bevel gears

در این حالت پینیون و کرانویل، چرخدنده های ساده هستند. این پینیون و کرانویل در واقع ساده ترین و ارزانترین نوع آنهاست. مشکل اصلی آنها این است که در این حالت دنده ها به طور پیوسته با هم درگیر نیستند و حالت درگیری وخلاصی پشت سرهم دارند و باعث ایجاد ضربه و ایجاد صدا می شوند.

شکل3-7 straight bevel gears

2) spiral bevel gears

این نمونه نیز همانند حالت قبلی است با این تفاوت که از چرخدنده های مارپیچی بجای چرخدنده های ساده استفاده شده است که باعث کارکرد نرمتر سیستم در این حالت می شود، ضمن اینکه بعلت تماس پیوسه دنده ها با هم از میزان سروصدا در این حالت کاسته می شود.

شکل3-8 spiral bevel gears

3) hypoid gears

این چرخدنده ها نیز دنده های مارپیچی دارند و تنها تفاوت آن با حالت قبل در این است که در اینجا پینیون زیر خط مرکزی کرانویل قرار می گیرد؛ در نتیجه میل گاردان پایین تر می آید و می توان کف اتاق و مجرای عبور میل گاردان را پایین تر در نظر گرفت. همچنین از دیگر مزایای این حالت، این است که تعداد دنده های درگیر برای حمل بار در این سیستم بیشتر است.

شکل3-9 hypoid gears

دیفرانسیل در واقع دستگاه یا مجموعه چرخدنده ای است که بین دو محور قرار می گیرد و به آنها امکان می دهد در صورت لزوم با سرعتهای متفاوت بچرخند و در عین حال گشتاور هم منتقل کنند.

فرض کنید دیفرانسیلی در کار نباشد و هر دو چرخ عقب به دو سر یک میله صلب متصل هستند. در این حالت چرخها همواره با هم و با سرعت برابر می چرخند و سعی می کنند همواره مسافتی برابر هم را طی کنند. در چنین شرایطی اگر خودرو قصد عبور از پیچی را داشته باشد، لاستیک داخلی مسافت کمتری را طی خواهد کرد و در نتیجه به سرعت ساییده خواهد شد؛ در این حالت کنترل خودرو نیز دشوار است.

وجود دیفرانسیل از بروز چنین مشکلاتی جلوگیری می کند و به چرخ بیرونی این امکان را می دهد که سریعتر بچرخد و در حین عبور از پیچ، نسبت به چرخ داخلی مسافت بیشتری را طی کند.

دیفرانسیل شامل دو دنده مرتبط به پلوس می باشد که بنام دنده پلوس نامیده می شود و نیز دو دنده پینیون که بر روی دنده پلوس می گردند. (شکل3-10) پینیونها نیز توسط یک محور به هم متصل هستند. وقتی اتومبیل در جاده مستقیم حرکت می کند، دنده پینیونها حول محور خود نمی چرخند بلکه کلاً بصورت یکپارچه حول دنده پلوسها می گردند و آنها به حرکت در می آورند. اما هنگامیکه اتومبیل وارد پیچ می شود، چرخ داخلی مسافت کوتاهتر و چرخ بیرونی مسافت بیشتری را طی می کند. دنده ها پینیونهای دیفرانسیل به هر دو دنده پلوس گشتاور مساوی وارد می کنند. اما نامساوی بودن بارهایی که چرخها وارد می کنند سبب می شود که دنده پینیونها چرخش حول محور خود را آغاز کنند. آنها در پیرامون دنده پلوس مرتبط با چرخ داخلی که آهسته تر می چرخد حرکت می کنند. در نتیجه سرعت دنده پلوس مرتبط با چرخ بیرونی به همان اندازه افزایش می یابد.

شکل3-10 اساس کار دیفرانسیل

2 / ( تعداد دور دنده پلوس اول+ تعداد دور دنده پلوس دوم ) = تعداد دور کرانویل

با توجه به رابطه فوق اگر یک چرخ شروع به لغزش و بکسواد کند، چرخی که کشش خوبی دارد از سرعت خود کم می کند و متوقف می شود؛ در نتیجه ممکن است خودرو متوقف شود و نتوان آن را به حرکت در آورد. برای جلوگیری از این امر در برخی از این دیفرانسیلها از سیستم خاصی استفاده می کنند؛ بدین صورت که از کلاچهای چند صفحه ای در پشت دنده پلوسها استفاده می شود که توسط هزار خار به دنده پلوسها متصلند. (شکل3-11) این سیستم باعث می شود که چنانچه یک چرخ بکسواد کند، چرخ دیگر حرکت خود را از دست ندهد. در واقع در موارد ویژه ای دیفرانسیل عمل خود را انجام نمی دهد.

شکل3-11

اکسل عقب (Rear Axle)

تصویر نشان داده شده در شکل3-12 نمونه ای ساده از اکسل عقب یک خودرو می باشد که قسمتهای مختلف آن قابل مشاهده است. جهت وضوح بیشتر شکل، دیفرانسیل نشان داده نشده است. در عمل شفت نشان داده شده بصورت دو تکه است و وظیفه انتقال گشتاور از دیفرانسیل به چرخها را بر عهده دارد.

شکل3-12 شماتیک کلی اکسل عقب

نیروها و گشتاورهای مختلفی بر اکسل عقب خودرو وارد می شوند که عبارتند از :

1 ) وزن خودرو : اکسل را می توان به عنوان تیری در نظر گرفت که وزن ناشی از خودرو را تحمل می کند. این نیرو توسط پوسته اکسل یا پلوس تحمل می شود. این نیروهای وارده سبب نیروهای برشی و خمشی می گردند.

2 ) نیروی پیشران : گشتاور رانشی ایجاد شده در موتور خودرو، نیروی پیشران در چرخها را باعث می شود که این نیرو باید از طریق اکسل به شاسی و بدنه خودرو منتقل شود. این نیروها و کلاً نیروهایی که از اکسل به شاسی منتقل می شوند، توسطPanhard Rod و Radius Rod منتقل می شوند. Radius Rod اکسل را به شاسی متصل کرده و نیروی وزن را تحمل می کند. Panhard Rod نیز نیروهای جانبی را به شاسی منتقل می کند. (شکل3-13)

شکل3-13 Panhard Rod و Radius Rod

3 ) عکس العمل گشتاور : برای تصور این نیرو، اینگونه فرض کنید که اگر از چرخش آزادانه چرخها بوسیله چرخیدن میل گاردان جلوگیری شود، بنظر می رسد که دنده پینیون تمایل به گردش حول کرانویل را دارد. این تمایل همچنین هنگام حرکت خودرو نیز وجود دارد و پینیون همواره تمایل به بالا رفتن از دنده های کرانویل را دارد، بنابراین همیشه نیرویی بر روی پوسته اکسل وجود دارد که پینیون را نگه می دارد. این نیرو بعنوان عکس العمل گشتاور خوانده می شود.

4 ) نیروهای جانبی : این نیروها که در جهت عرضی بر خوروها وارد می شوند ممکن است شامل وزش باد از بغل به خودرو یا اینرسی خود وسیله نقلیه در سر پیچها باشدکه در هر حال این نیرو مستقیماً به اکسل وارد می شود و اکسل نیز توسط Panhard Rod آن را به شاسی منتقل می کند.

انواع اکسل

در میان انواعی از اکسلهایی که بعنوان اکسل عقب استفاده می شود، معمولاً فنرها وزن مجموعه را تحمل می کنند. امروزه مدلهای گوناگونی از اکسلها مورد استفاده قرار می گیرند که از میان آنها دو نوع عمده ای که بیشتر از آنها استفاده می شوند عبارتند از :

Hotchkiss drive : این نوع، از ساده ترین و پرکاربردترین نوع اکسلهای عقب می باشد. مدلی از آن را در شکل 3-14 مشاهده می کنید. فنر از قسمت وسط خود و به صورت صلب به اکسل عقب متصل می شود. خود فنر نیز از یک طرف بصورت صلب به شاسی متصل است و از سر دیگر بصورت لولا و مفصلی متحرک می باشد.

شکل3-14 Hotchkiss drive

در این حالت تمام چهار نیروی وارد شده بر اکسل که در قسمت قبل اشاره شد، توسط فنر تخت تحمل می شود. نیروی پیشران توسط سر صلب فنر به شاسی منتقل می شود. بعلت وجود عکس العمل گشتاور نیز قسمت جلو فنر کمی تغییر شکل می دهد. (شکل3-15)

شکل3-15 خمش فنر بعلت وجود عکس العمل گشتاور

بنابراین عکس العمل گشتاور نیز کلاً توسط فنر تحمل می شود. بهمین ترتیب برای تحمل گشتاور ترمزی نیز فنرها در جهت مخالف تغییر شکل خواهند داد. هنگامیکه فنرها بدین ترتیب تغییر شکل دادند، محل قرار گرفتن شفت متصل به پینیون نیز تغییر می کند. بنابراین اگر تنها در یک طرف میل گاردان از قفل گاردان استفاده شود، میل گاردان تحت چنین شرایطی خم خواهد شد. برای جلوگیری از چنین امری از یک قفل گاردان دیگر نیز در سر دیگر شفت گاردان استفاده می شود.

Torque tube drive : در این حالت فنرها فقط نیروی وزن و نیروی جانبی را تحمل می کنند. عکس العمل گشتاور، گشتاور ترمزی و نیروی پیشران توسط عضو دیگری که torque tube نام دارد تحمل می شود. یک سر آن به پوسته اکسل و سر دیگر آن که کروی است درون جعبه ای که برروی شاسی فیکس می شود، قرار می گیرد. همانطور که در شکل3-16 نیز مشاهده می شود torque tube میل گاردان را در بر می گیرد.

شکل3-16 Torque tube drive

از آنجاییکه در اینجا عکس العمل گشتاور توسط torque tube تحمل می شود، اگر میل گاردان توسط یک اتصال یونیورسال که دقیقاً در مرکز کاپ کروی قرار دارد به شفت خروجی از گیربکس متصل شود، خط مرکز شفت متصل به پینیون جابجا نخواهد شد و همیشه از مرکز کاپ کروی عبور خواهد کرد. در چنین حالتی نیاز به استفاده از اتصال یونیورسال دیگری در آن طرف میل گاردان نخواهد بود. همچنین اتصال کشویی نیز در اینجا مورد استفاده نخواهد بود چرا که شفت متصل به پینیون و میل گاردان هر دو حول یک مرکز جابجا خواهند شد.

نیروها و گشتاورهای تحملی توسط اکسل عقب عبارتند از :

1 ) نیروهای برشی ناشی از وزن وسیله نقلیه

2 ) ممان خمشی ناشی از اختلاف فاصله عکس العمل وزن و خود وزن

3 ) نیروهای کششی یا فشاری ناشی از نیروهای جانبی

4 ) نیروی خمشی ناشی از هم امتداد نبودن نیروی جانبی و عکس العمل مربوطه

5 ) گشتاور پیشران

در تمام نمونه هایی که برای نگهداری شفت اکسل استفاده می شود، گشتاور پیشران توسط شفت تحمل می شود؛ اما اختلاف این نمونه ها ناشی از دیگر بارهایی است که ممکن است توسط شفت اکسل تحمل شود. انواع مختلفی از آنها را در زیر بررسی می کنیم :

Semi floating axle : در این نوع از اکسل که نمونه آن را در شکل 3-17 مشاهده می کنید، توپی چرخ مستقیماً به شفت اکسل متصل است. انتهای داخلی هرکدام از شفتها با دیفرانسیل در ارتباط است؛ در حالیکه سر دیگر آن بوسیله یاتاقان و بلبرینگ با پوسته اکسل در تماس است.

در این حالت تمام نیروها و بارهایی که در بالا به آن اشاره شد توسط شفت اکسل تحمل می شود. بارهای خودرو از طریق پوسته و یاتاقان به این شفتها منتقل می شوند. به همین علت نقطه A یک بار خمشی را تحمل می کند که در نتیجه آن تمایل به برش در آن نقطه ایجاد می شود. همچنین نیروهای جانبی سبب بوجود آمدن نیروهای محوری و ممان خمشی در شفتهای اکسل می شوند، ضمن اینکه شفتها باید گشتاور پیشران را هم تحمل کنند. Semi floating axle ساده ترین و ارزانترین نوع از میان آنهاست که بصورت نسبتاً گسترده ای در خودروها استفاده می شود. از آنجاییکه تمام بارها توسط شفت اکسل تحمل می شود، این شفتها برای انتقال گشتاور یکسان به نسبت قطر بزرگتری باید داشته باشند؛ چرا که اگر شفت در این حالت بشکند، خطرات زیادی در بر دارد چون تایر کاملاً از مجموعه جدا خواهد شد.

شکل3-17 Semi floating axle

Full floating axle : این نمونه بسیار مقاوم و محکم است و اکثراً در خودروهای سنگین از آنها استفاده می شود. همانطور که در شکل 3-18 مشاهده می شود، شفتهای اکسل فلانجهایی در انتهای خارجی خود دارندکه بوسیله پیچ به کفی فلانج متصل می شوند. دو رولربرینگ نیز پوسته اکسل را درون توپی چرخ نگه می دارند که بارهای جانبی را تحمل می کنند؛ بنابراین در این حالت شفتهای اکسل فقط گشتاور پیشران را تحمل می کنند و نیروی وزن را پوسته اکسل و چرخها متحمل می شوند؛ بنابراین احتمال شکست در آنها کم است و حتی در صورت وقوع چنین امری، شفت بعلت مهارهایی که دارد از جای خود خارج نمی شود. اما اشکال عمده در اینجا هزینه بسیار بالای آن نسبت به سایر گونه اکسلها است.

شکل3-18 Full floating axle

Three quarter floating axle : این نمونه حالتی بین مدل مقاوم Full floating و مدل ساده Semi floating است. در اینجا بجای اینکه همانند نمونه Semi floating یاتاقان بین پوسته اکسل و شفت قرار داشته باشد، بین پوسته اکسل و توپی چرخ قرار دارد. همانطور که با توجه به شکل3-19 نیز مشخص است، در این حالت شفتهای اکسل، نیروی خمشی و برشی ناشی از وزن خودرو را تحمل نمی کنند. بلکه این نیروها از طریق توپی و یاتاقان و توسط پوسته اکسل تحمل می شود. اما در هر صورت گشتاور پیشران در این جا نیز باید توسط شفت تحمل گردد و نیز نیروهای جانبی که به شفت وارد می شوند.

زمانی در خودروها معمولی و اتومبیلهای سبک از این نمونه از اکسل بیشتر استفاده می شد اما امروزه با بهبود در طراحی مواد و روشهای ساخت استفاده از Semi floating به اینگونه از اکسلها ترجیح داده می شود.

شکل3-19 Three quarter floating axle

انواع پوسته اکسل

1 ) split type : در این نمونه پوسته اکسل بصورت دو تکه ساخته می شود و سپس توسط پیچ بهم وصل می شوند. اشکال عمده چنین نمونه ای این است که با رخ دادن هر گونه خرابی، کل اکسل عقب باید خارج شود و پس از تعمیر دوباره نصب گردد. از این نمونه از پوسته اکسل امروزه کمتر استفاده می شود.

2 ) banjo or separate carrier type : این نمونه بصورت یکپارچه است و شکلی شبیه کمانچه دارد. کل مجموعه دیفرانسیل درون محفظه ای قرار دارد که به پوسته اکسل پیچ شده است و دو نیم شفت نیز از دو طرف به آن متصل هستند. بنابراین در این حالت چنانچه نیازی به تعمیر مجموعه شود، هرکدام از شفتها می تواند مستقیماً از کنار خارج شود و دیفرانسیل تنها با باز کردن پیچهای مربوط به خود، خارج می گردد.

3 ) Salisbury or integral carrier type: این نمونه از لحاظ ساختاری شبیه نمونه قبلی است بجز اینکه در اینجا محفظه دیفرانسیل به طور دائمی به مجموعه توسط جوش متصل است. از این نمونه از پوسته اکسل بطور گسترده ای در خودروهای محرک عقب استفاده می شود.

خطوط انتقال در خودروهای دیفرانسیل جلو

در خودروهای دیفرانسیل جلو به میل گاردانهای طویل نیازی نیست. همانطور که در شکل 3-20 نیز مشاهده می شود، توان از بخش دیفرانسیل چسبیده به جعبه دنده و از طریق میل پلوسهای کوتاه به چرخها منتقل می شود.

شکل3-20 نمونه ای از خطوط انتقال در خودروهای دیفرانسیل جلو

این میل پلوسها ممکن است توپر یا توخالی باشند و حتی طولهای آنها نابرابر باشند، اما معمولاً با قرار دادن یک میله واسط سعی می کنند طول آنها را برابر کنند.از انواع مختلفی ازاتصالات سرعت ثابت در دو سر میل پلوسها استفاده می شود که در زیر به آنها اشاره می کنیم :

سه شاخه پلوس ( Rzeppa joint ) : نوعی مفصل سرعت ثابت است که با استفاده از آن فقط زاویه انتقال می تواند تغییر کند. توسط این نوع مفصل می توان محور متحرک را تحت زاویه ای تا 40 درجه به چرخش درآورد. این نوع اتصال شش ساچمه فولادی دارد که در شیارهای دایره ای بین یک پوسته داخلی و یک پوسته خارجی حرکت می کنند. گشتاور از پوسته داخلی و از طریق ساچمه ها به پوسته خارجی منتقل می شود. (شکل3-21)

شکل3-21 سه شاخه پلوس ( Rzeppa joint )

سه شاخه کشویی ( Tripod joint ) : نوعی مفصل کشویی یا پیستونی است که با استفاده از آن طول موثر هر کدام از محورها در اثر بالا و پایین رفتن چرخها و پیچیدن آنها به طرف داخل و خارج، می تواند تغییر کند. در این اتصال پوسته شامل سه شاخه ای توخالی است. یک سه شاخه دیگر که سه عدد بلبرینگ در سر آنها قرار دارد درون پوسته جا زده می شود. (شکل3-22) گشتاور محور محرک، از طریق ساچمه و سه شاخه به محور متحرک منتقل می شود. وقتی زاویه انتقال گشتاور تغییر می کند، ساچمه ها طوری حرکت می کنند که زاویه بین محورهای محرک و متحرک را نصف کنند. بنابراین محور متحرک، بدون توجه به زاویه انتقال با سرعت ثابت می چرخد.حرکت محور متحرک بطرف بالا و پایین نیز سبب می شود که ساچمه ها در شیارها عقب و جلو بروند.

شکل3-22 سه شاخه کشویی ( Tripod joint )

فشار لاستیک در اتومبیلهای دیفرانسل جلوی استاندارد
مساله ای که درباره اتومبیلهای استاندارد باید شدیدا به آن توجه داشته باشید تفاوت مهم اتومبیلهای دیفرانسیل عقب و دیفرانسیل جلو در ظرفیتهای حرارت لاستیکهاست. در تئوری هر 4 لاستیک باید به یک میزان چسبندگی داشته و دمای لاستیکها تقریبا برابر باشد. ولی بسیاری از اتومبیلهای خیابانی که دیفرانسیل جلو هستند از این تئوری پیرویت نمیکنند.
در یک اتومبیل مخصوص ریس (race car) شاسی (با فرض قابلیت تنظیم فنرها, کمک فنرها, میل تعادل و غیره) به گونه ای تنظیم میشود که اتومبیل تا حد امکان به حالت neutral handling نزدیک باشد. این تنظیمات سرعت اتومبیل را در پیچ به حداکثر میرساند و همانند تئوری میزان balance تمام لاستیکها تقریبا برابر میشود.راننده نیز باید به حد کافی با تجربه و ماهر باشد تا بتواند اتومبیل را با حداکثر لیمیتها براند و در مواقع ضروری و پیش آمدهای غیر منتظره اتومبیل را تحت کنترل داشته باشد.
در اتومبیل ریسهمراه با تنظیم تعلیقو ایجاد neutral handling , فشار لاستیکها نیز بسیار خوب و متناسب تنظیم میشود.
بسیاری از اتومبیلهای خیابانی به گونه ای طراحی نشده اند که neutralhandling داشته باشند و اغلب اتومبیلهای دیفرانسیل جلو معمولا دچار understeer میشوند که باعث میشود نتوان پیچ را با سرعت طی کرد , اگر راننده ای با یک اتومبیل دیفرانسیل جلوی استاندارد اقدام به طی کردن پیچ با سرعت زیاد کند اتومبیل او سر خورده و فرمان پذیری بسیار ناچیزی خواهد داشت و در این مواقع راننده با یک واکنش عادی و معمولا نا خود آگاهانه پا را از روی پدال گاز بر میدارد که حرکت مناسبی است و بدین روش لاستیکها چسبندگی خود را باز می یابند , ولی در اتومبیلی که دچار oversteer شده است برداشتن پا از روی گاز چسبندگی لاستیکهای عقب را کاهش داده و oversteer تشدید میشود و ممکن است منجر به spin شود.به همین دلیل گرایش یک اتومبیل به under steering از لحاظ ایمنی برای یک اتومبیل خیابانی و برای رانندگی عادی یک نکته مثبت به شمار میرود.

توضیح اینکه نحوه کنترل under steer و over steer یک موضوع مفصل بوده و تحت شرایط مختلف تفاوت دارد و در اینجا برای روشن شدن مطلب اشاره کوچکی شده است

دوباره به تئوری بر میگردیم , چسبندگی همه لاستیکها در پیچ باید برابر باشد.
دو عامل دینامیکی دیگر وجود دارند که باعث می شود کار لاستیکها حرارت ایجاد کند که عبارتند از ترمز کردن و گاز دادن.
در یک اتومبیل دیفرانسیل عقب بار کار شتاب بر روی لاستیکهای عقب است و در این حالت لاستیکهای عقب گرمتر میشوند , لاستیکهای جلو نیز اکثریت بار ترمز را حمل کرده و حرارت ایجاد میکنند .چون بار ناشی از این 2 عامل برابر نیست در نتیجه میزان حرارت ایجاد شده نیز برابر نبوده و دمای لاستیکها مساوی نخواهد بود.
در یک اتومبیل دیفرانسیل جلو هر دو کار را لاستیکهای جلو انجام میدهند , بعلاوه یک اتومبیل دیفرانسیل جلوی استاندارد در پیچها تمایل به understeer دارد و این نیز عامل دیگری برای ایجاد حرارت بیشتر در لاستیکهای جلو بوده و هنگام پیچیدن اصطکاک و نیروی بیشتری بر روی چرخهای جلو است.
با ترکیب همه این عوامل حرارت بسیار زیادی توسط لاستیکهای جلو ایجاد می شود که در مقایسه با یک اتومبیل دیفرانسیل عقب مقدار بسیار بیشتری است.
در هنگام رانندگی در پیست با اتومبیل دیفرانسیل جلو , فشار لاستیکهای جلو 9 و یا 10 psig نسبت به حالت سرد افزایش میابد و در همین اتومبیل فشار لاستیکهای عقب تنها 4 و یا 5 pisg افزایش میابد و کاملا مشخص است که در اینصورت چسبندگی لاستیکهای جلو و عقب در این اتومبیل برابر نخواهد بود و به هیچ وجه هندلینگ این اتومبیل متعادل نخواهد بود.این حالت اصلا مناسب نیست و باید فشار حالت سرد لاستیکها به گونه ای دیگر تنظیم شود.
با توجه به این توضیحات فرض میکنیم در اتومبیلی وقتی میتوان neutralhandling balance را ایجاد کرد که در هنگام گرم بودن لاستیکها فشار لاستیکهای جلو 34 psig و فشار لاستیکهای عقب 35 psig باشد.
میدانیم که لاستیکهای جلو وقتی گرم میشوند 9 psig نسبت به حالت سرد افزایش فشار خواهند داشت بنابرین 34 را منهای 9 کرده و فشار لاستیکهای جلو را روی 25 تنظیم میکنیم و فشار حالت سرد لاستیکهای عقب را نیز 35 منهای 4 کرده و روی 31 تنظیم میکنیم.
ولی مشخص است که این فشارها کاملا عجیب و متفاوت هستند و وقتی با این تنظمیات اتومبیل وارد پیست شود راننده بخصوص در دورهای اول احساس خوف و وحشت خواهد کرد چرا که اتومبیل دچار oversteer متعددی شده و اتومبیل حس سر خوردگی شدیدی به راننده خواهد داد. اما بعد از طی کردن سومین دور در پیست اتومبیل به حالت neutral balance دست خواهد یافت.
لازم به یاد آوری است که نکته مهم ایجاد تعادل در بازه زمانی بیشتری است و فشار گرم لاستیکها اهمیت دارد , حتی اگر برای این هدف مجبور به انجام تنظیماتی باشیم که به نظر عجیب میرسند و در اینجا فشار سرد لاستیکها بسیار عجیب است ولی مهم 3 دور اول نیست و کل race و فشار گرم لاستیکها دارای اهمیت است.
همه چیز به یک طرف , بهترین علاج under steer در یک اتومبیل استاندارد با تمایل شدید به understeer خرج کردن مقداری پول و نصب میل تعادل عقب است (rear anti-roll bar) که اینکار باید به عنوان اولین اقدام تیونینگ در این اتومبیل انجام گیرد. این کار باعث بهبود زیاد lap time خواهد شد و ارزش پول خرج شده را خواهد داشت و از لحاظ ایمنی نیز بسیار مفید خواهد بود.