עולמם המופלא של הדיפרנציאלים/פרק ג' – "עולמו השלילי" של הדיפרנציאל

"עולם ישר" – דיפרנציאל מנוטרל

כל עוד הרכב נוסע בקו ישר, במשטח בעל אחיזה זהה, גלגליו מגלים התנגדות שווה לגלגול. כפועל יוצא מכך חלקיו הפנימיים של הדיפרנציאל מקבלים "תשדורת" זהה מהגלגלים – וזו  "מתורגמת" על ידי מנגנון הדיפרנציאל לחלוקת מהירות סיבובית שווה בין הגלגלים.

מה קורה בתוך הקרביים? העטרה (קורונה) –"מונעת" כזכור לכם על ידי הסבבת (פיניון) שהיא נקודת הסיום של העברת התנועה מהמנוע לדיפרנציאל – מחוברת באופן קשיח לבית הדיפרנציאל ומסובבת אותו. מכיוון שבמקרה הנ"ל אין הפרשי התנגדויות בין שתי הציריות המחוברות לצמיגים, לא נוצרת, בתוך בית הדיפרנציאל, תנועה פנימית של הסטליטים והם נמצאים במצב סטטי  – יחסית לצירים הממוסבים שלהם – נעים כיחידה אחת עם הבית כולו. שני הפלאנטרים, הרתומים משני צדי בית הדיפרנציאל, מסתובבים במהירות שווה ובשל כך מסובבים את הציריות המוזחות לתוכן במהירויות שוות.

מהירות שווה של ציריות תגרום מן הסתם, במשטח בעל אחיזה זהה, למהירות סיבובית שווה של הגלגלים.

דוגמא: מהירות העטרה היא 1000 סל"ד והמומנט המגיע אליה הוא 200 ניוטון מטר. המומנט – כפי שהוסבר בפרק הקודם -  מתחלק תמיד שווה בין שתי הציריות ואין אפשרות שסכום המומנטים בין שתי הציריות יהיה גדול יותר מהמומנט שנשלח אליו על ידי העטרה מכאן שכל ציריה תקבל מומנט של 100 ניוטון מטר. המהירות הסיבובית לעומתה, כדרכה של מהירות סיבובית לאורכו של ציר "כאילו קשיח" (כזה ששני צדדיו מופעלים על ידי גוף בעל מהירות אחידה – בית הדיפרנציאל) איננה מתחלקת לשניים לאורכו של הציר אלא שומרת על אותה מהירות של העטרה  -  1000 סל"ד לכל ציריה ולכל גלגל.

"עולם העקומות" – דיפרנציאל בפעולה

בתסריט הקודם, נסיעה בקו ישר, למעשה אין צורך בדיפרנציאל -אפשר להעביר תנועה לגלגלים באמצעות ציר בודד, קשיח. והנה מגיע הרגע שבעיקר עבורו יוצר הדיפרנציאל – נסיעה בסיבוב. כאן משתנה הסיפור לחלוטין.

בעת סיבוב, הדרך השונה אותה עוברים הצמיגים הנמצאים משני צדי הסרן, מאלצת את הגלגל הפנימי להאט את מהירותו, לייצר התנגדות גדולה יותר לגלגול.

התנגדותו מאיטה את התקדמותו ובהכרח מאיטה את תנועת הציריה המחוברת אליו. האטת הציריה מאיטה את תנועת הפלנטאר המחובר אליה. האטת הפלנטאר גורמת לסטליטים הקשורים אליו להגדיל מהירותם ועל ידי כך להעביר תנועה סיבובית מוגברת לפלנטאר הנגדי, המחובר לציריה הנגדית, הקשורה לגלגל החיצוני. בינגו. הגלגל החיצוני זקוק באמת למהירות סיבובית מוגדלת – על מנת לפצות על הדרך הארוכה יותר אותה הוא עושה במהלך הסיבוב.

וכאן כבר אפשר להרחיב את אחד מעקרונות פעולת הדיפרנציאל ולקבוע כי:

תמיד מהירות סיבובית בציריה המחוברת בצד הסרן שגלגלו עושה דרך ארוכה יותר (או מגלה פחות התנגדות) – תהיה גדולה יותר. ולהפך.

להזכירכם, על פי עקרונות תפעול הדיפרנציאל, כפי שהופיעו בפרק הקודם, מידה שווה של מהירות תילקח מהציריה של הגלגל הפנימי ותועבר לציריית הגלגל החיצוני.

דוגמא: הרכב נכנס לסיבוב ובית הדיפרנציאל, עם העטרה המחוברת אליו באופן קשיח, מסתובבים במהירות של 1000 סל"ד. הגלגל החיצוני לפניה יסתובב במהירות 1100 סל"ד ואילו הפנימי במהירות של 900 סל"ד.

ועוד העמקה בנושא המהירות הסיבובית של הציריות בסרן המניע. ראשית, נזכר שוב כי מהירות העטרה היא תמיד ממוצע המהירויות של שתי הציריות, או אם תרצו שני הגלגלים. ז"א תמיד תוספת המהירות בגלגל אחד היא על חשבון הפחתת מהירות, במידה שווה, בגלגל הנגדי. עד כדי כך העסק עובד מדויק שישנם מיקרים קיצוניים שבהם – ייתכן אפילו שגלגל אחד יסתובב אחורה בעוד השני קדימה !!!

דוגמא: רכב נע בירידה תלולה  כשגלגל אחד שלו, נאמר הימני, נע על משטח דשא/קרח/בוץ חלק בעל מקדם אחיזה נמוך ביותר וגלגלו השני, השמאלי, על כביש בעל אחיזה טובה. נהג הרכב נוסע בירידה ללא גז, על בלימת מנוע, וללא שימוש בבלמים. סל"ד המנוע הוא נמוך ביותר והרכב נע בירידה, בשל כוח המשיכה במהירות הגבוהה יותר מפי שניים ממהירות סיבוב המנוע. הגלגל הימני מאבד לחלוטין אחיזה בעוד השמאלי, בעל האחיזה מסתובב במהירות הרכב – יותר מפי שניים ממהירות סיבובי המנוע ומהירות העטרה. מכיוון שתמיד ממוצע המהירויות הסיבוביות של שני הגלגלים אינו יכול לעלות על מהירות העטרה הגלגל שאבד לחלוטין את אחיזתו מתחיל להסתובב לאחור – בכיוון הנגדי !!!

חיזוק לתופעה הנ"ל ניתן לקבל ברגע שנעלה רכב על ליפט כשהמנוע שלו אינו פועל ושני גלגלי הסרן המניע שלו באוויר. נשלב את תיבת ההילוכים בהילוך כלשהו, עדיף הילוך נמוך, ועל ידי כך נבלום את יכולתו של גל ההינע להסתובב. אם גל ההינע אינו מסתובב גם העטרה במהירות אפס. בכוח היד נסובב את  אחד מגלגלי הסרן שבאוויר קדימה ונבחין מיד בתופעה מעניינת -הגלגל השני מתחיל להסתובב במהירות שווה למהירות הגלגל אותו אתם מסובבים ביד – אך בכיוון הנגדי. רק כך ממוצע המהירויות של שתי הציריות יהיה שווה לאפס שהיא מהירות העטרה. איזה דיפרנציאל מופלא.

"הפעולה-השלילית" של הדיפרנציאל – צדו השני של המטבע.

להזכירכם, עיקרון פעולת הדיפרנציאל קובע שתמיד תתבצע חלוקת מומנטים שווה בין שתי הציריות אך בו בזמן מהירות התנועה הסיבובית בכל אחת מהן יכולה להיות שונה לחלוטין.

אם גלגלי סרן אחורי יקלעו למצב שבו אחד מהם אינו מצליח לייצר אחיזה הרי שאותו גלגל לא מייצר כל התנגדות לתנועה. אין התנגדות – אין מומנט. זוכרים?

וכך, הגלגל חסר האחיזה, חסר המומנט, "מתרגם" את כוח המנוע אך ורק לתנועה סיבובית, חסרת מומנט. תנועה "על המקום", פריילופ.

ומה קורה אז עם הגלגל השני, "הטוב", בעל האחיזה? אתם לא רוצים לדעת.

מכיוון שאחד מעקרונות פעולת הדיפרנציאל קובע ש:"תמיד, ללא יוצא מהכלל, כמות המומנט לא תעלה על המידה המסוגלת להתפתח בגלגל עם האחיזה הפחות טובה" -

הרי שה"אין מומנט", שהוא מנת חלקו של הגלגל בעל האחיזה הפחות טובה… זה שבאוויר, הופך להיות גם מר גורלו של הגלגל השני, בעל האחיזה. כשלא מגיע מומנט לגלגל עם האחיזה – גלגל שיש עליו התנגדות לתנועה – הוא לא מסוגל לייצר תנועה סיבובית שתחלץ את הרכב מהצרה אליה נקלע הגלגל שאיבד אחיזתו. וכך גם הגלגל "הטוב", בעל האחיזה, נהפך, בגין עיקרון פעולת הדיפרנציאל, לפגר סטטי, חסר תנועה.

סיכום עד כאן: תמיד תועבר יותר תנועה סיבובית לכיוון גלגל המגלה פחות התנגדות לגלגול. מכאן, כאשר אחד משני גלגלי הסרן המניע יאבד לגמרי אחיזתו תועבר כל התנועה הסיבובית לכיוונו בלבד.

העיקרון המתואר כאן, שהנו חלק בלתי נפרד מאופיו של הדיפרנציאל קיבל, ומן הסתם בצדק, את הכינוי:  "הפעולה-השלילית" של הדיפרנציאל.

מהם התנאים הקיצוניים שיביאו את הדיפרנציאל לנקוט ב"פעולה שלילית" בין שני הגלגלים המניעים? מה יגרום לכניסתה לפעולה של "הפעולה השלילית"?

1. כל המצבים בהם ישנם הבדלי אחיזה משמעותיים בין גלגלי הסרן בגין תנאי הדרך. דוגמא: גלגל אחד נע על כביש יבש והשני על קרח. גלגל אחד בבוץ טובעני השני בקרקע יבשה. גלגל אחד בחול טובעני השני בקרקע עם אחיזה טובה. שיפוע צד חריף ועוד.

2. מצבים בהם ישנם הבדלי אחיזה, פחות משמעותיים מאלו של סעיף 1, אך לתסריט  מצטרפת התפרצות כוח מנוע חזקה  – לחיצה חזקה על דוושת התאוצה. דוגמא: האצה חזקה כאשר שני גלגלים על הכביש ושניים על שוליים כורכריים.

3. מקרים בהם תנאי הדרך מספקים, באופן בסיסי, אחיזה טובה לגלגלים אך פעולה קיצונית של נהג הרכב גורמת להבדלי אחיזה משמעותיים. דוגמא: כניסה מהירה לסיבוב מאוד חד בכביש יבש. לגלגל הפנימי בכל רכב קיימת נטייה להסתחרר בעת פנייה – נטייה טבעית בגין העברת המשקל לגלגל החיצוני – ז"א תמיד ישנם הבדלי אחיזה כלשהם בין שני גלגלים על אותו סרן, בעיקר, בעת כניסה לסיבוב – קצת יותר אחיזה על גלגל חיצוני. עם ההבדלים המינוריים הללו מנגנון הדיפרנציאל "יודע" להסתדר. אבל, סגנון נהיגה פרוע במהלך פניה חדה יחריף את העברת המשקל לגלגל החיצוני ובסופו של דבר יגרום לאובדן אחיזה בגלגל הפנימי וכפועל יוצא מכך העברת כל התנועה הסיבובית לכיוונו. מכאן קצרה הדרך לסחרור הגלגל הפנימי. במקרים קיצוניים, רכב בעל הנעת 4X2 (שרק אליו אנו מתייחסים בשלב זה של המאמר) ימצא עצמו במצב של עצירה רגעית – כל התנועה הסיבובית תעבור לגלגל הפנימי, חסר האחיזה, וכתוצאה מכך ייווצר מצב של  0 תנועה גם בגלגל החיצוני, בעל האחיזה המרבית. זה מה יש.

4. אופיו של הרכב. תסריט 3 ייכנס לפעולה ביתר קלות בכלי רכב בעלי מרכז כובד גבוה, או כאלו שעמוסים באופן שלומיאלי כך שמרבית המשקל נוטה לאחד הצדדים.

5. הבדל בקוטר הגלגלים. והרי לכם שלושה תסריטים הגורמים להפרשים בקוטר הצמיג: הבדל בלחצי אוויר בין שני צמיגים הממוקמים על אותו הסרן; צד אחד של הרכב עמוס יותר ממשנהו; צד אחד של הרכב נעול בצמיג שחוק בעוד צדו השני עם צמיג חדש.

בנסיעה בקו ישר אמור המנגנון הפנימי של הדיפרנציאל "לנוח" – לעבוד כיחידה אחת עם כל הבית. ולא כך הוא בסעיף 5 שלפנינו. שני הגלגלים מקבלים ממערכת ההינע תנועה סיבובית זהה אך הסל"ד הסופי בכל אחד מהם שונה בגלל הפרשי הקטרים. כתוצאה מכך הגלגל הגדול מסתובב לאט יותר, יוצר התנגדות על הציריה שלו כנגד הציריה של הגלגל השני. תנועה סיבובית מוגדלת נשלחת לכיוון הגלגל קטן הקוטר תוך סיכוי סביר לסחרורו. במקרה דנן, בנוסף לבעיית הבטיחות מתווספת גם בעיה מכנית. מנגנון הדיפרנציאל האמור להיכנס לעבודה רק בפניות עובד למעשה ללא הפסקה ומקצר את תוחלת חייו באופן משמעותי.