עולמם המופלא של הדיפרנציאלים/פרק ב' – בקרביים של הדיפרנציאל

תפקידי הדיפרנציאל

הדיפרנציאל הוא ממסרה של מספר גלגלי שיניים, צירים ומסבים. ומה תפקידה של הממסרה הנ"ל?

1. לאפשר העברת מומנט סיבוב בין שני גלים הניצבים זה לזה.

2. לבצע שינוי יחס העברה/מסירה (תוספת כוח על חשבון מהירות).

3. החשוב מכל – לפצות על הצרכים השונים של הגלגלים.

על מנת להבין בדיוק כיצד פועלת הממסרה שנקראת דיפרנציאל יש לבחון את פעולתה מקרוב (בעזרת חתכים המשמשים כעזרי לימוד. ראו קישור לאתר כזה).  ובכל זאת, אנסה לתמצת במילים את בסיס עקרון הפעולה:

הדיפרנציאל, הקיים בכלי רכב רגילים (לא זחליליים), הוא בעל גלגלי שיניים קוניים, שתכונתם העיקרית – יכולתם להעביר מומנט סיבוב בין שני גלים הניצבים זה לזה – זאת אומרת מאפשרים שינוי כיוון "זרימת" הכוח ב-90 מעלות.

הנענו מנוע. שילבנו הילוך. כוח המנוע מגיע לגל הינע אחורי (בדוגמא של רכב 4X2 בעל הנעה אחורית). בקצה הגל נמצא גלגל שיניים קוני המכונה סבבת (פיניון), המעביר את התנועה לגלגל שיניים קוני אחר המכונה עטרה (קורונה). העטרה היא גלגל שיניים גדול, הממוקם  ב-90 מעלות לסבבת ומחובר באופן קשיח לבית הדיפרנציאל (ראו בהמשך).

במידה והרכב נוסע בקו ישר גם גלגליו עושים דרך שווה זה לזה. במקרה כזה תפקיד העטרה – אחרי שינוי הכיוון ושינוי יחס ההעברה שנעשו בה -  פשוט בתכלית: העברת תנועה סיבובית זהה/מהירות שווה לשני הגלגלים. כל ממסרת הדיפרנציאל (ראו מייד) מנוטרלת. גולם שבשלב זה אין צורך בכישוריו.

אם כל תפקידו של הדיפרנציאל היה מתמצה בשינוי כיוון ויחס העברה הרי ששני גלגלי שיניים קונים היו מספקים את הסחורה.

ולא הוא.

תפקידו העיקרי של הדיפרנציאל (ומכאן גם שמו) איננו שינוי כיוון  ויחס העברה אלא יכולתו לפצות על הצרכים השונים של גלגלי הרכב. לדוגמא – בעת סיבוב.

כזכור, בעת סיבוב כל אחד מהגלגלים עושה דרך שונה ומכך גם שואף להסתובב במהירות שונה.

אם היה לנו ציר קשיח שמחבר בין שני הגלגלים לא ניתן היה לפצות על צרכים שונים ובלגן קטן היה מתרחש בשרשרת ההינע (ראה חלק א').

מה עושים? ממסרה חכמה של גלגלי שיניים.

בקרביים – עטרה, סטליטים, פלנטרים ומיסבים

בתוך בית הדיפרנציאל ממוקמים, נגדיים זה לזה, 2 או 4  גלגלי שיניים קוניים קטנים – שמשות/לווינים ("סטליטים").

הסטליטים ממוסבים על צירים (הקבועים לבית הדיפרנציאל), ושיניהן משיקות, בניצב, לשני גלגלי שיניים גדולים יותר ושמם כוכבים ("פלנטרים").

הפלאנטרים ממוסבים גם הם ובתוכם שיני הזחה. בתוך שיני ההזחה של כל פלאנטר ממוקמת צירית הנעה, שבצדה השני מחוברת לגלגל הרכב.

מנוע הרכב מייצר כאמור מומנט שאמור להגיע לכיוון הגלגלים ולסובב אותם.

תנועה בקו ישר – הסברנו כבר למעלה.

תנועה בסיבוב? גלגלי הרכב מתווים כל אחד דרך שונה מעצם סיבוב גלגל ההגה. עכשיו צריך לוודא שכל אחד יקבל בדיוק את "המנה המתאימה" (המהירות הסיבובית הנכונה).

וכך, ברגע שהרכב נכנס לסיבוב. מתחיל הסיפור המופלא של הדיפרנציאל. הממסרה מתחילה להיכנס לפעולה ומצדיקה את המוניטין שלה. מכאן תפקיד הדיפרנציאל בעת כניסת הרכב לעקומה – חלוקת קצבה צודקת/מתאימה לכל אחד משני גלגלי הסרן עליו הוא מופקד.

איך הוא עושה את זה?  "הטריגר" שמפעיל את ממסרת הדיפרנציאל, הגורם לה לשלוח לכל אחד מהגלגלים את צרכיו הם גלגלי הסרן המניע. הגלגלים "משדרים" כל הזמן הוראות לרכיביו הפנימיים של הדיפרנציאל – כביש ישר? תשדורות זהות. עקומות? תשדורות שונות, בעקבות הדרך השונה אותה הם מתווים. וכך, בעת סיבוב, הגלגל הפנימי – מייצר התנגדות גדולה יותר לגלגול שכן הוא ציר הסיבוב. הממסרה של הדיפרנציאל "יודעת" לתרגם את ההתנגדות שנשלחת מהגלגל הפנימי לתוספת מהירות בסטליטים/פלנטאר/ציריה של הגלגל החיצוני ומכאן לתוספת המהירות הנדרשת בגלגל החיצוני. בינגו.

קצת פיזיקה – יחסי גומלין בין מומנטים ומהירויות סיבוביות

מומנט הנו כוח הפועל בניצב לזרוע וגורם לתנועה סיבובית. כזה בדיוק הוא הכוח הפועל על גל הארכובה במנוע. המומנט, שנוצר במנוע, גדל במהלך תנועתו לכיוון גלגלי הרכב בשנים עד שלושה צמתים שונים: בתיבת ההילוכים, בתיבת ההעברה (רק רכבי 4X4 עם יחס העברה נמוך) ובהינע הסופי (דיפרנציאל).

על מנת שיווצר מומנט צריך, בכל אחת מהנקודות שהוזכרו מעלה -  מנוע, תיבת הילוכים, תיבת העברה, הינע סופי – שתהיה התנגדות מסוימת, כוח נגדי (סיר איזק ניוטון חשב על זה 400 שנה לפני).

מכאן: בלי התנגדות – לא ניתן להפעיל כוח – וללא כוח אין מומנט. ולסיכום: ללא התנגדות – לא ייווצר מומנט.

דוגמא: אתם אוחזים בקצותיו במקל של מטאטא – יד ימין בקצה אחד ויד שמאל בקצה הנגדי.

עכשיו, נסו לסובב את מקל המטאטא סביב צירו, קדימה, באמצעות יד ימין – בעוד יד שמאל מפעילה תנועה נגדית לכיוון הגוף. הפעולה הנוצרת היא למעשה הפעלת מומנט. על מנת להצליח לסובב את המקל תצטרכו להגדיל את הכוח המופעל בצד ימין (מומנט הכניסה), או להקטין את ההתנגדות של יד שמאל (הכוח הנגדי של האחיזה/החיכוך).

כאמור, אם תקטינו את התנגדות יד שמאל המקל יתחיל להסתובב בכף ידכם. אם תשחררו לגמרי את הלפיתה של יד שמאל המקל יסתובב/יחליק אך לא יידרש כוח לשם כך וממילא לא ייווצר מומנט בפעולה זאת. זוכרים? אין התנגדות לכוח המופעל – אין מומנט.

חזרה לדיפרנציאל

אחד הדברים היותר מבלבלים במנגנון הפעולה של הדיפרנציאל הרגיל, החופשי (על סוגים אחרים בהמשך הכתבה), אלו יחסי הגומלין בין מומנטים ומהירויות סיבוביות.

להלן כמה עובדות הקשורות ישירות לפעולת הדיפרנציאל:

1. תמיד, ללא יוצא מהכלל, מגיעה מידה שווה של מומנט לגלגלי הרכב.

2. תמיד, ללא יוצא מהכלל, כמות המומנט לא תעלה על המידה המסוגלת להתפתח בגלגל עם האחיזה הפחות טובה.

3. תמיד, ללא יוצא מהכלל, המידה השונה היחידה העשויה להתפתח בין שני הגלגלים של הרכב היא המהירות הסיבובית (שכן המומנטים, כאמור, שווים).

4. תמיד, ללא יוצא מהכלל, כאשר מהירות סיבובית משתנה זה נעשה באופן שמידה שווה של מהירות סיבובית נלקחת מציריה/גלגל אחד ומועברת לציריה/גלגל השני.

5. תמיד, ללא יוצא מהכלל, חיבור המהירויות הסיבוביות של שתי הציריות חלקי שניים ייתן את המהירות הסיבובית בכניסה לדיפרנציאל (המהירות הסיבובית של העטרה היא ממוצע המהירויות של הציריות).

6. תמיד, ללא יוצא מהכלל, יהיה יחס שווה בין הגדלת המהירות הסיבובית בציריה ביחס לעטרה ובין הקטנת המומנט שלה מול העטרה (דוגמא: מהירות ציריה גדולה פי שניים ממהירות העטרה, המומנט בציריה – ובעקבות כך גם בציריה השניה ראו סעיפים 1,2 – יהיה בדיוק חצי מהמומנט של העטרה).