דיפרנציאל (רכב)

דִּיפֵרֶנְצִיאָל הוא התקן מכני המורכב בעיקר בכלי תחבורה ממונעים בעלי גלגלים מקבילים. מיקומו של הדיפרנציאל הוא בין זוג הגלגלים המונעים. כאשר מכונית פונה, הגלגל החיצוני עובר דרך ארוכה יותר בפרק זמן זהה. לכן, מהירותו תהיה גדולה יותר ממהירותו של הגלגל הפנימי. כדי להתגבר על הפרש המהירויות האלו מורכב דיפרנציאל בין הגלגלים. תפקיד נוסף של הדיפרנציאל הוא פיצול הכוח בין שני הגלגלים תוך סיבוב סרני הגלגלים בתשעים מעלות לכיוון כניסת הכוח. הדיפרנציאל בנוי מ"בית" (Case) מגלגל שיניים עטרת (Ring או Crown) המחובר אליו, מגלגל שיניים סבבת (Pinion) משני גלגלי שיניים צדדים (Side gears) ושני גלגלי שיניים אמצעיים (Spider gears). בנסיעה רגילה, גל ההינע מסובב את כל בית הדיפרנציאל, ה-Spider gears לא מסתובב סביב צירו אלא רק בעזרת סיבוב הבית. בין הסרנים אין הפרש מהירויות, ולכן, ה-Spider gears וגלגלי השיניים הצדדים נמצאים במנוחה (יחסית אחד לשני). כאשר יש הפרש מהירויות בין הגלגלים (למשל בפניה), נוצרת תנועה בין ה- Spider gears וזו מעבירה את הכוח מצד אחד לשני. לאחר שהכוח מהמנוע מועבר לתיבת ההילוכים, הוא מועבר לדיפרנציאל, ומשם הוא מפוצל לגלגלים. גם בדיפרנציאל מתבצעת הפחתת מהירות של המנוע. ניתן לציין שלושה סוגי דיפרנציאלים. דיפרנציאל פתוח, נפוץ ברוב כלי הרכב, כל גלגל יכול לקבל מהירות שונה (למשל בפניה), אך המומנט שמועבר לכל גלגל זהה (כל גלגל מקבל חצי מהמומנט שיוצא מהדיפרנציאל). ולכן, אם גלגל אחד מאבד אחיזה לגמרי, הרי שהמומנט שהוא יכול להעביר לכביש הוא אפס, ולכן, גם בגלגל השני לא יהיה מומנט והרכב לא יזוז. אם גלגל אחד יאבד חלק מהאחיזה, למשל, 50%, אז הוא יוכל לספק רק חצי מהמומנט שלו, כך גם לגבי הגלגל השני, מה שאומר, שהעומס על מערכת העברת הכוח- קטן לחצי. דיפרנציאל נעול, נמצא בעיקר ברכבי שטח ורכבי ראלי. גם הוא מפצל את התנועה הסיבובית לשני הגלגלים. אבל, כאן המהירות של הגלגלים תהיה תמיד זהה (גם בפניה, מה שעלול לגרום להתהפכות). אבל, המומנט שיגיע לשני הגלגלים הוא שונה, ותלוי באחיזה שהגלגל יכול לספק, כך, שאם גלגל אחד מאבד אחיזה, כל המומנט מועבר דרך הגלגל השני (אם הוא יצליח לספק מספיק אחיזה כדי להעביר אותו). ישנם כלי רכב בעלי יכולת שליטה בנעילה (למשל דיפרנציאל של חברת ARB), ישנם דיפרנציאלים שנעולים תמידית ("נעילת זיקה"), ישנם דיפרנציאלים אוטומטים (בצורה מכנית, ללא התערבות הנהג – למשל דיפרנציאל של חברת Detroit-Locker) וישנם דיפרנציאלים שנשלטים באמצעות מחשב הרכב. נעילת הדיפרנציאל נפוצה ברכבי שטח, בנסיעת שטח ניתן להגיע למצב של אובדן אחיזה מוחלט בגלגל או שניים, מצב זה נקרא הצלבה ונוצר על תוואי שטח לא אחיד כאשר גלגל אחד מונף גבוה באוויר והרכב מתנדנד עם שני גלגלים באוויר. נעילת דיפרנציאל מסייעת להחלץ ממצב זה. ניתן למצוא נעילת דיפרנציאל גם ברכבים מיוחדים למרוצי דראג. מרוצי הדראג מתקיימים בקו ישר בלבד (לאורך 400 מטרים) ועיקרם תאוצה רבה. העדר העיקולים מייתר את הצורך בדיפרנציאל, והכוח הרב שמועבר לגלגלים האחוריים יכול לגרום לאובדן אחיזה, מצב שמוגבר עם דיפרנציאל פתוח. לכן מרבית המכוניות המשתתפות במרוצי דראג מתחרות בדיפרנציאל נעול. דיפרנציאל מוגבל החלקה (LSD - Limited Slip Differential), נמצא בעיקר במכוניות ספורט ורכבי שטח. בדיפרנציאל זה אין נעילה מלאה אלא קיימת הגבלה (קבועה מראש) על השוני במהירות הסיבוב של שני הגלגלים בציר. קיימים מספר רב של מנגנונים ליישום דיפרנציאלים מוגבלי החלקה, חלקם מכניים וחלקם מבוססי אלקטרוניקה ורכיבי מחשב. ביישום באמצעות מערכת ממוחשבת מזוהה החלקה של אחד הגלגלים באמצעות חיישנים והמערכת בולמת אותו לסירוגין (באמצעות מערכת ה-ABS) וכך מתאפשרת העברת מלא המומנט לגלגל בצד השני של הציר. תכנונה של מערכת הנעה כפולה שונה בדרך כלל בין רכבי כביש לרכבי שטח. ברכבי שטח, מפצל הכוח בין זוג הגלגלים הקדמיים לאחוריים (המכונה "טרנספר" או תיבת העברה) אינו מתפקד כדיפרנציאל, אלא כחיבור קשיח. כמו כן, הדיפרנציאלים בסרנים החיים ניתנים לנעילה בדרך כלל. ברכבי כביש, לעומת זאת, הדיפרנציאלים פתוחים בדרך כלל (עם אפשרות לנעילה חלקית בדגמים מסוימים). המומנט של המנוע מתחלק בין כל הגלגלים המונעים. לדוגמה, המומנט שיוצא ממערכת העברת הכוח הוא 200 קג"מ (קילוגרם למטר). ברכב בעל הנעה אחורית כל גלגל יקבל 100 קג"מ, בעוד שברכב בעל הנעה כפולה, כל גלגל יקבל רק 50 קג"מ. המומנט המרבי שכל גלגל יכול להעביר למשטח מוגבל (בגלל החיכוך המושפע מהצמיג, מטיב הקרקע וממשקל הרכב). אם המומנט שמתקבל בגלגל גדול מהמומנט המרבי האפשרי (כלומר, מעל האחיזה המרבית של אותו צמיג), הצמיג יסתבסב ויחליק ללא יכולת האצת הרכב. לפיכך, אחד היתרונות של הנעה כפולה הוא שהמומנט בכל גלגל קטן יותר (אך סכום המומנט שמגיע לכולם שווה), מה שמאפשר לרכב להאיץ ביעילות גם כשמומנט המנוע גדול וגם בנסיעה על מסלולי עפר או כבישים מושלגים בעלי חיכוך נמוך. מערכת ההנעה הכפולה נתונה לעומסים גדולים משום שכל המומנט מגיע לגלגלים ואיבוד האחיזה מזערי. העומס המוגבר יכול לבוא לידי ביטוי בכשלים בחוליות חלשות כדוגמת ה"צלבים" (מפרק אוניברסלי הנקרא גם מפרק קרדן) ותיבת ההילוכים. במכוניות ללא הנעה כפולה, חלק מהמומנט הולך לאיבוד כי דיפרנציאל פתוח לא יכול לספק מומנט מעל המומנט המרבי שהגלגל בעל האחיזה המינימלית יכול לספק. כתוצאה מכך, כמות המומנט במערכת תרד, בעוד שבמכוניות עם הנעה כפולה יפעל הרבה מומנט על חלקי המערכת. מסיבה זו עולה הצורך בתיבת הילוכים חזקה יותר כגון Dog gear בכלי רכב ללא איבוד מומנט. מדיה וקבצים בנושא דיפרנציאל בוויקישיתוף כתבה על דיפרנציאלים - מתוך 4x4.co.il הסבר על דיפרנציאלים, מתוך ג'יפולוג איך דיפרנציאל עובד – מתוך Howstuffworks דיפרנציאל, באתר אנציקלופדיה בריטניקה (באנגלית)