differential

Το καλοκαίρι πέρασε, οι μπαταρίες γέμισαν και η ώρα για μία ακόμα σειρά τεχνικών άρθρων έφτασε. Έχει περάσει υπερβολικά πολύς καιρός από την τελευταία φορά που κοιτάξαμε στην άβυσσο των μηχανολογικών ενός αυτοκινήτου και οφείλω να ομολογήσω πως μου έλειψε αυτό το πάρε-δώσε. Ελπίζω να σας έλειψε και εσάς γιατί έχουμε πολλά πράγματα να συζητήσουμε και δεν αναφέρομαι μόνο στη συγκεκριμένη σειρά άρθρων… Κάθε πράγμα στον καιρό του όμως. Αυτή τη φορά δεν θα ασχοληθούμε με την παραγωγή της ισχύος, όπως κάναμε με το engine management και τα turbo… όχι. Αυτή φορά θα ασχοληθούμε με κάτι εξίσου, αν όχι περισσότερο, σημαντικό. Τη μεταφορά της ισχύος στον δρόμο. Θα πιάσουμε ένα θέμα που περνάει πολλές φορές στα ψιλά γράμματα παρά την τεράστια σημασία και επιρροή που έχει στην συμπεριφορά ενός οχήματος. Αυτή τη φορά, θα μιλήσουμε για διαφορικά.

Το διαφορικό είναι μία «συσκευή» που όλοι ξέρουμε πως υπάρχει κάπου στο αυτοκίνητό μας, λίγοι ωστόσο ξέρουν τι κάνει και ακόμα λιγότεροι κατανοούν απόλυτα τη σημασία που έχει στα δυναμικά χαρακτηριστικά του αυτοκινήτου. Πριν προχωρήσουμε στα ενδότερα των διαφορικών και αναλύσουμε πώς λειτουργούν, τους συνηθέστερους τύπους και διάφορα άλλα ενδιαφέροντα πράγματα, πρέπει πρώτα να βγάλουμε από τη μέση τα «βαρετά». Δηλαδή, πρέπει πρώτα να κάνω μια μικρή αναδρομή στην ιστορία τους και στη συνέχεια να εξηγήσω γιατί όλα τα αυτοκίνητα έχουν διαφορικά. Ποιες είναι οι λειτουργίες που εκτελούν και είναι απαραίτητα; Μείνετε όμως μαζί μου γιατί χωρίς το πρώτο μέρος, τα υπόλοιπα δεν θα βγάζουν ιδιαίτερο νόημα.

Φοβόσασταν πως θα έρθει αυτή η στιγμή; Ιστορία!

Υπό μία έννοια είστε πολύ τυχεροί γιατί δεν είστε αναγκασμένοι να υποστείτε ένα μακροσκελές μάθημα/αναδρομή στην ιστορία του διαφορικού. Κι αυτό γιατί όπως πάρα πολλά πράγματα στα αυτοκίνητα, έτσι και το διαφορικό είναι ένα εξάρτημα του οποίου η εφεύρεση χάνεται στην ιστορία και κανείς δεν μπορεί να είναι απόλυτα σίγουρος ούτε για το ποιος το εφηύρε πρώτος, ούτε για το ποια ήταν η πρώτη εφαρμογή του.

Αν αληθεύει ένα αρχαίο γραπτό, διαφορικά με την ευρεία έννοια χρησιμοποιούνταν από το 1.000 π.Χ. περίπου –ίσως και παλαιότερα– από τους Κινέζους, σε ένα δίτροχο όχημα με την ονομασία “South Pointing Chariot”. Αυτό ήταν ένα κάρο στην ουσία που μέσω διαφορετικών διαστάσεων τροχών και γραναζιών έκανε μία συσκευή που είχε στην κορυφή του να δείχνει πάντοτε τον νότο και χρησιμοποιούνταν ως πυξίδα.

South Pointing Chariot

Αλλά ας μην επεκταθούμε καθώς δεν είναι αυτό το θέμα μας. Όσο τα χρόνια περνούσαν, οι αναφορές για χρήση διαφορικών στην Κίνα κατά κύριο λόγο, αλλά και στον υπόλοιπο κόσμο, πλήθαιναν. Υπάρχει ο μηχανισμός των Αντικυθήρων, για τον οποίο υπάρχει μία σχετική διαφωνία και μερικές ακόμα «στάσεις» στην ιστορία που δεν κρίνω σκόπιμο να αναλύσουμε, μέχρι που φτάνουμε στον 19ο αιώνα για να αρχίσουν τα διαφορικά να παίρνουν την μορφή με την οποία τα γνωρίζουμε μέχρι και σήμερα (σε γενικές γραμμές προφανώς) και να χρησιμοποιούνται σε οχήματα. Φυσικά τα πρώτα οχήματα ήταν κάρα, ατμομηχανές κλπ αλλά είναι λογικό δεδομένης της εποχής και του γεγονότος πως οι χρήσεις του διαφορικού δεν περιορίζονται στα αυτοκίνητα.

Η πρώτη χρονιά που ξεχωρίζει στον 19ο αιώνα είναι το 1827. Όλοι συμφωνούν πως ο άνθρωπος που πατεντάρισε το σύγχρονο διαφορικό αυτοκινήτων ήταν ο Γάλλος ωρολογοποιός Onesiphore Pecquer και το έκανε εκείνη τη χρονιά. Η πρώτη του εφαρμογή όμως είναι που προκαλεί διχογνωμία. Η μία πλευρά, ισχυρίζεται πως η πρώτη εφαρμογή/προσαρμογή διαφορικού σε αυτοκινούμενο όχημα ήταν αυτή του David Shearer, ενός εφευρέτη και κατασκευαστή αγροτικών εξαρτημάτων από την Αυστραλία. Αυτός προσάρμοσε την αρχή λειτουργίας ενός διαφορικού σε ένα «χειροκίνητο» τρίκυκλο το 1882 και στο δικό του, ατμοκίνητο όχημα το 1897. Η άλλη πλευρά, πιστεύει πως το πρώτο διαφορικό που τοποθετήθηκε σε αυτοκίνητο ήταν αυτό του Louis Renault το 1898. Ακόμα και ο Renault όμως, λέγεται πως προσάρμοσε την ιδέα που είχε ο Αμερικανός C.E. Duryea το 1893… και κάπως έτσι χάνεται η μπάλα. Γι’ αυτό λένε –και έχουν δίκιο- πως στα αυτοκίνητα σπάνια υπάρχει πραγματική, ρηξικέλευθη καινοτομία. Στη συντριπτική πλειοψηφία των περιπτώσεων υπάρχει προσαρμογή, εξέλιξη και βελτίωση ήδη υπαρχόντων ιδεών με τη χρήση της εκάστοτε «σύγχρονης» τεχνολογίας… Όπως και να έχει όμως, δεν θα καταναλώσουμε περισσότερο χρόνο στην ιστορία του διαφορικού. Έχει περισσότερο νόημα να αφιερώσουμε χρόνο στην λειτουργία του.

Τι κάνει πια και είναι τόσο σημαντικό;

Πριν από το τι κάνει, πρέπει να δούμε τι είναι. Το διαφορικό λοιπόν, είναι ένας μηχανισμός που συνήθως, περιλαμβάνει γρανάζια μέσα σε ένα «καβούκι» –housing αν θέλετε τον διεθνή όρο– και συνδέεται με τον «εξωτερικό κόσμο» μέσω τριών αξόνων. Στην περίπτωση των αυτοκινήτων, ο ένας άξονας είναι αυτός της μετάδοσης και οι δύο άλλοι –κάθετα τοποθετημένοι σε σχέση με τον άξονα μετάδοσης– είναι τα ημιαξόνια. Όμως ας δούμε «αναλυτικά» τα μέρη που απαρτίζουν ένα διαφορικό με τη βοήθεια ενός σχεδίου

Opel Diff 2

  1. Κεντρικός άξονας/άξονας μετάδοσης: Αυτός ο άξονας συνδέει την υπόλοιπη μετάδοση με το διαφορικό.
  2. Πινιόν: Όπως φαίνεται και από το σχέδιο, είναι ένας κωνικός οδοντωτός τροχός που στην ουσία αποτελεί προέκταση του άξονα μετάδοσης (1) και μεταδίδει την ροπή του κινητήρα στο διαφορικό.
  3. Κορώνα: Η κωνική οδοντωτή στεφάνη που μαζί με το πινιόν (2) είναι υπεύθυνη για την αλλαγή της διεύθυνσης κίνησης κατά 90ο . Η κορώνα είναι στην άκρη του ενός εκ των δύο ημιαξονίων (6)
  4. Πλανήτες: Δύο κωνικοί οδοντωτοί τροχοί με ευθύγραμμα κωνικά δόντια. Είναι μεγαλύτεροι από τους δορυφόρους (5) και μόνιμα σε σύζευξη με αυτούς. Οι πλανήτες αποτελούν και το άκρο του κάθε ημιαξονίου που βρίσκεται στο διαφορικό.
  5. Δορυφόροι: Στις απλούστερες των εφαρμογών είναι συνήθως δύο στον αριθμό ενώ πιο σπάνια μπορεί να είναι και 4. Είναι κωνικοί οδοντωτοί τροχοί με ευθύγραμμα κωνικά δόντια με άξονες κάθετους στον άξονα περιστροφής των ημιαξονίων.
  6. Ημιαξόνια: Η έξοδος προς τους τροχούς

Τώρα μπορούμε να δούμε τι κάνει;

Τώρα που είδαμε από τι αποτελείται το διαφορικό, ναι, μπορούμε να προχωρήσουμε στο τι κάνει. Το διαφορικό, εκτελεί τρία σημαντικά καθήκοντα. Ή αν θέλετε, τα αυτοκίνητα διαθέτουν διαφορικό για τρεις ξεχωριστούς λόγους. Επειδή:

  • Μεταφέρει την ροπή του κινητήρα στους τροχούς
  • Λειτουργεί ως η τελευταία σχέση υποπολλαπλασιασμού πριν τους τροχούς.
  • Επιτρέπει στους κινητήριους τροχούς να κινούνται με διαφορετικές ταχύτητες (εξ ου και το όνομα).

Τόσο απλά κι όμως, χωρίς αυτό, θα είχαμε πολύ σημαντικά προβλήματα. Ας τα πάρουμε όμως από την αρχή για να μην μένουν κενά.

1102phr_18_o+1969_dodge_dart_gt+rear_differential

Μεταφέρει τη ροπή του κινητήρα στους τροχούς: Νομίζω είναι η πιο απλή λειτουργία του διαφορικού. Όπου και αν είναι σε σύγκριση με τον κινητήρα, το διαφορικό αποτελεί τον συνδετικό κρίκο του κιβωτίου ταχυτήτων με τους τροχούς. Δηλαδή, ο κινητήρας παράγει ροπή, η οποία «περνάει» από το κιβώτιο και μεταφέρεται μέσω του άξονα μετάδοσης στο διαφορικό. Αυτό, «μοιράζει» τη ροπή στα δύο ημιαξόνια και μέσω αυτών στους τροχούς.

Λειτουργεί ως η τελευταία σχέση υποπολλαπλασιασμού/μετάδοσης: Αυτό πολλές φορές περνάει απαρατήρητο αλλά έχει όση σημασία έχουν και οι υπόλοιπες λειτουργίες του. Θα παρατηρήσατε πως το πινιόν είναι πολύ μικρότερο και έχει σαφώς λιγότερα «δόντια» από την κορώνα. Ο λόγος των δοντιών της κορώνας προς τον αριθμό δοντιών του πινιόν, είναι η σχέση του διαφορικού –ή αν θέλετε στην αργκό, το «βήμα» του-. Τι εννοώ; Έστω ότι μία κορώνα έχει 60 δόντια και το πινιόν που τη συνοδεύει έχει 14. Διαιρώντας τους δύο αριθμούς έχουμε τη σχέση του διαφορικού που στην προκειμένη περίπτωση είναι 4,29:1. Όπως καταλαβαίνετε, όσο μεγαλύτερος ο αριθμός, τόσο μικρότερη η σχέση και άρα τόσο πιο «κοντό» το διαφορικό και αντίστροφα. Την σημασία αυτού του χαρακτηριστικού θα την αναλύσουμε περισσότερο σε επόμενο «τεύχος» αλλά πιστεύω πως ήδη είναι εμφανής…

Επιτρέπει στους τροχούς να κινούνται με διαφορετικές ταχύτητες: Αυτός είναι και ο λόγος για τον οποίο χρησιμοποιήθηκε το διαφορικό εξ αρχής. Ας ξεκινήσουμε με ένα παράδειγμα. Φανταστείτε ένα αυτοκίνητο που στρίβει σε μία δεξιά στροφή. Οι εξωτερικοί –αριστεροί- τροχοί του αυτοκινήτου, έχουν διαφορετική γωνιακή ταχύτητα από τους εσωτερικούς –δεξιούς- γιατί πρέπει να καλύψουν μεγαλύτερη απόσταση. Επιπλέον, οι εμπρός τροχοί έχουν διαφορετική καμπύλη από τους πίσω και κατά συνέπεια διαφορετικές αποστάσεις να διανύσουν αλλά αυτό είναι εκτός θέματος. Οι μη-κινητήριοι τροχοί του αυτοκινήτου, δηλαδή οι πίσω τροχοί σε ένα μπροστοκίνητο όχημα και οι εμπρός σε ένα πισωκίνητο, δεν μας ενδιαφέρουν γιατί δεν συνδέονται με κάποιον ουσιαστικό τρόπο μεταξύ τους. Είναι ανεξάρτητοι. Οι κινητήριοι όμως δεν είναι. Αν το αυτοκίνητο δεν είχε διαφορικό, οι κινητήριοι τροχοί θα ήταν αναγκασμένοι να περιστρέφονται με την ίδια ταχύτητα που σημαίνει πως θα ήταν αδύνατον να στρίψει το όχημα χωρίς ένας από τους δύο να γλιστράει. Αυτό όπως καταλαβαίνετε σημαίνει απίστευτες φθορές στα ελαστικά –και όχι μόνο- και επικίνδυνη συμπεριφορά του οχήματος. Γι’ αυτό έχουμε διαφορικά. Για να μπορούν οι τροχοί να περιστρέφονται με διαφορετική ταχύτητα.

Υπάρχει βέβαια και το άλλο φαινόμενο που θα μας οδηγήσει σε κάτι που δεν ανέφερα πριν αλλά θα το κάνω τώρα. Φανταστείτε το ακραίο παράδειγμα ο ένας –κινητήριος– τροχός του αυτοκινήτου να είναι σε άσφαλτο με καλό συντελεστή τριβής και ο άλλος να είναι σε πάγο. Τι γίνεται τότε; Το διαφορικό στέλνει πάντοτε την ίδια ροπή σε κάθε τροχό. Η ροπή αυτή, εξαρτάται από τη ροπή που αντέχει να περάσει στο δρόμο ο τροχός με τη λιγότερη πρόσφυση. Στο παράδειγμα μας λοιπόν, ο πάγος έχει εξαιρετικά χαμηλό συντελεστή τριβής. Που σημαίνει πως ο τροχός που πατάει σε αυτόν θα χάσει πρόσφυση με το παραμικρό. Το πρόβλημα είναι πως η ίδια ελάχιστη ροπή που προκάλεσε το σπινιάρισμα του τροχού στον πάγο, πηγαίνει και στον τροχό που είναι στην άσφαλτο. Αλλά δεν είναι αρκετή για να κινηθεί το αυτοκίνητο άρα το όχημα μένει καθηλωμένο στη θέση του με τον ένα τροχό να σπινιάρει ακατάσχετα. Το ίδιο –σε λογικότερα πλαίσια- συμβαίνει όταν σε μία στροφή σπινιάρει ο εσωτερικός τροχός. Μπορεί η ροπή που παρήγαγε ο κινητήρας έπειτα από εντολή του οδηγού να προκάλεσε το σπινιάρισμα του εσωτερικού τροχού όμως η ίδια ροπή δεν αρκεί για να βγει γρήγορα το αυτοκίνητο από την στροφή όταν πάει στον εξωτερικό τροχό με την πρόσφυση! Έτσι χάνουμε πολύτιμο χρόνο.

[Θέλετε να το κάνουμε λίγο πιο επιστημονικό; Η ταχύτητα περιστροφής του κάθε τροχού μπορεί να ποικίλει αλλά ο μέσος όρος των ταχυτήτων των δύο τροχών παραμένει σταθερός. Μία αύξηση στην ταχύτητα του ενός τροχού, συνοδεύεται από ισόποση μείωση στην ταχύτητα του άλλου. Αυτό ισχύει και για αρνητικές ταχύτητες, όταν δηλαδή κάποιος τροχός περιστρέφεται με αντίθετη φορά από την φορά κίνησης. Μπορεί να σας φαίνεται παράλογο το γεγονός πως ένας άξονας καθορίζει την ταχύτητα δύο άλλων αλλά αυτό συμβαίνει γιατί το σύστημα έχει έναν ακόμα περιορισμό. Υπό νορμάλ συνθήκες, ο λόγος των ταχυτήτων των δύο κινητήριων τροχών, ισούται με τον λόγο των ακτινών των τροχιών στις οποίες κινούνται. Το δεύτερο μέγεθος, εξαρτάται από το μετατρόχιο του αυτοκινήτου και την ακτίνα της στροφής. Επομένως το σύστημα δεν έχει μία είσοδο και δύο εξόδους αλλά δύο εισόδους και δύο εξόδους. Όπως καταλαβαίνετε από αυτή την παράγραφο, το διαφορικό δεν είναι παίξε-γέλασε. Έχει πολύ μεγάλο βάθος το οποίο όμως δεν έχω την ικανότητα να μεταφέρω γιατί α. ούτε εγώ κατανοώ πλήρως τα πάντα για τα διαφορικά και θα ήταν ανόητο να ισχυριστώ το αντίθετο και β. δεν γίνεται να μεταφέρω σε 3-4 άρθρα αυτά που έχουν γραφτεί σε βιβλία 300-400 σελίδων. Συνεχίζουμε.]

Και πως λειτουργεί;

Τώρα ήρθε η ώρα να χρησιμοποιήσουμε ότι μάθαμε για να δούμε πως λειτουργεί το διαφορικό. Όπως είπαμε, η ροπή μεταφέρεται μέσω του άξονα μετάδοσης και καταλήγει στο πινιόν. Το πινιόν με τη σειρά του, δίνει κίνηση στην κορώνα που όπως σας είπα είναι στην άκρη του ενός εκ των δύο ημιαξονίων. Το κάθε ημιαξόνιο, καταλήγει σε έναν πλανήτη. Οι δύο πλανήτες, βρίσκονται σε σύζευξη μεταξύ τους και με την κορώνα, μέσω των δορυφόρων και του φορέα τους. Όταν το αυτοκίνητο κινείται σε ευθεία, η κορώνα παρασύρει με την περιστροφή της όλο το σύστημα και οι –κινητήριοι- τροχοί περιστρέφονται με την ίδια ταχύτητα. Απλό. Όταν όμως το αυτοκίνητο στρίβει, ο εξωτερικός τροχός όπως είπαμε διανύει μεγαλύτερη απόσταση που σημαίνει πως περιστρέφεται ταχύτερα από τον εσωτερικό. Σε αυτό το σημείο, για να επιτραπεί η διαφορά ταχύτητας μεταξύ των πλανητών και κατά συνέπεια των ημιαξονίων, οι δορυφόροι περιστρέφονται με διαφορετική ταχύτητα από το όλο σύστημα.

Παράδειγμα. Έστω πως το αυτοκίνητο στρίβει σε μία δεξιά στροφή. Έστω πως η κορώνα ολοκληρώνει 10 περιστροφές στο χρονικό διάστημα που απαιτείται να ολοκληρωθεί η στροφή. Στο ίδιο διάστημα, ο αριστερός τροχός του οχήματος θα κάνει περισσότερες περιστροφές γιατί έχει μεγαλύτερη απόσταση να διανύσει και ο δεξιός λιγότερες. Το σύστημα πλανητών-δορυφόρων συμπεριφέρεται όπως περιγράψαμε πιο πάνω και κατά συνέπεια, ο αριστερός τροχός κάνει 12 περιστροφές ενώ ο δεξιός 8. Όπως σας είπα, οι περιστροφές που θα ολοκληρώσει η κορώνα, είναι ο μέσος όρος των περιστροφών των πλανητών. Ή αλλιώς, ο μέσος όρος των ταχυτήτων των δύο πλανητών και κατά συνέπεια των δύο τροχών, είναι σταθερός! Να σημειώσω πως τα νούμερα είναι φανταστικά και χρησιμοποιούνται μόνο και μόνο για λόγους κατανόησης. Έτσι λειτουργεί το διαφορικό. Αυτός είναι και ο λόγος που αν αφήσουμε ταχύτητα στο κιβώτιο, σηκώσουμε το αυτοκίνητο και γυρίσουμε τον ένα κινητήριο τροχό προς μία κατεύθυνση, ο άλλος θα γυρίσει μόνος του προς την αντίθετη.

Επίλογος

Ένα μυστικό όμως πριν τελειώσουμε με το πρώτο, εισαγωγικό άρθρο. Ότι σας ανέφερα παραπάνω, ισχύει μόνο για έναν τύπο διαφορικού. Το λεγόμενο ελεύθερο ή ανοιχτό. Είναι ο πιο απλός, ο πιο φθηνός και ο πιο «βασικός» τύπος διαφορικού αλλά εξυπηρετεί το 95% των καθημερινών αναγκών του μέσου οδηγού. Γι’ αυτό και χρησιμοποιείται ευρέως από τις αυτοκινητοβιομηχανίες. Μην νομίζετε όμως πως είναι διαφορικό «του πεταματού». Ελεύθερα διαφορικά χρησιμοποιούνται και σε motorsports όπως η Formula Ford ή η F2000 που έχουν περισσότερη πρόσφυση από ότι ισχύ ή ακόμα και σε δυνατότερα οχήματα που τρέχουν σε πίστες χωρίς πολύ κλειστές στροφές…

Την επόμενη φορά θα δούμε τους άλλους τύπους διαφορικών, την λειτουργία τους και τα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματά τους. Πριν κλείσω όμως και αφού έχετε διαβάσει όλα αυτά που διαβάσατε, δείτε και ένα video που εξηγεί με τον πιο «παιδικό» και απλοϊκό τρόπο τη λειτουργία των διαφορικών. Είναι ένα video του 1937 που έφτιαξε η General Motors. Όσο και αν έψαξα, καλύτερη εξήγηση του τρόπου λειτουργίας των διαφορικών δεν βρήκα. Απολαύστε το και τα λέμε σε 2 εβδομάδες με τη δική μας συνέχεια.

[Πηγή video: El Patilla de Cadi & USAutoIndustry]