وقتی کله گاو به سنگ می‌خورد!

خبر اقتصادی - تحقیقات زبان‌شناسان نشان می‌دهد که استفاده از این کلمه در نیمه دوم قرن بیستم میلادی یعنی بین سال‌های 1950 تا 2000 دقیقا همزمان با بازه پیشرفت سریع و گسترده صنعت خودرو به حداکثر استفاده خود رسید. ناگفته نماند که این کلمه در علوم مهندسی و وابسته به ریاضیات نیز کاربرد چشمگیری دارد.

به گزارش عصر خودرو، دیفرانسیل مجموعه‌ای از چرخ‌دنده‌های سیاری‌ است که وابسته به نحوه استفاده از آن جهت گردش و انتقال یک نیروی وارده را تعیین می‌کند و یا تغییر می‌دهد. تاریخ استفاده از گونه‌های مختلف این مجموعه چرخ‌دنده‌ها به سال‌های دور و دراز پیش از میلاد مسیح بر‌می‌گردد، از همین رو نمی‌توان اختراع دیفرانسیل را مشخصا به فرد خاصی نسبت داد.

 دیفرانسیل یکی از اساسی‌ترین اجزای به کار رفته در صنایع مختلف و مخصوصا صنعت خودرو‌سازی است که به کار گرفتن آن تحول چشمگیری در بهبود عملکرد خودرو‌ها به وجود آورد. دلیل آن نیز در وظیفه آن نهفته است. در حالت کلی دیفرانسیل به کار رفته در خودرو‌های امروزی انجام 4 عمل را بر عهده دارند.

1- انتقال قدرت و گشتاور تولیدی پیشرانه به چرخ‌ها.

2- اعمال تغییر زاویه 90 درجه‌ای بین محور ورودی و محور خروجی نیرو در طراحی بیشتر خودروها.

3- اعمال آخرین تغییرات ضرایب دنده‌ها که با اصطلاحات تخصصی ضریب دنده اکسل (Axle Ratio) و ضریب دنده نهایی (Final Gear Ratio) شناخته می‌شود.

4- تقسیم متناسب نیروی اعمال شده بین چرخ‌ها در سرعت‌های مختلف. این مهم‌ترین عملکرد دیفرانسیل است و در حقیقت نام دیفرانسیل نیز به واسطه اختلاف و تفاوت سرعت و نیروی وارده به چرخ‌های خودرو در مواقع مورد نیاز به عنوان مثال در پیچ‌ها برآن گذاشته شده است.

بهترین جا کجاست؟

هدف نگارنده مقاله پیش رو نه بررسی نحوه عملکرد دیفرانسیل بلکه نحوه قرارگیری آن بر محور‌ها مخصوصا در خودرو‌های شاسی بلند (SUV‌ها) است. این کلاس خودرو‌ها به دلیل ماهیت خاص طراحی آنها مبنی بر عبور از مسیر‌های ناهموار به نحوی طراحی و ساخته می‌شوند که دارای حداکثر فاصله کف تا سطح زمین که در اصطلاح فنی به Ground Clearance شناخته می‌شود، باشند. 

مبحث فاصله کف خودرو تا زمین شاید برای خودرو‌های سواری که همواره بر مسیر‌های هموار آسفالت شده تردد می‌کنند، اهمیت چندانی نداشته باشد اما هر میلی متر این فاصله برای شاسی بلند‌ها از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است. 

مخصوصا برای آن دسته از شاسی بلند‌هایی که از محورهای یکپارچه فعال (Active Solid Axle کلمه فعال به محرک بودن محور اشاره دارد) استفاده می‌کنند. پوسته دیفرانسیل در محورهای یکپارچه فعال به منظور تقویت ساختار یکپارچه کل محور، دارای ابعاد بزرگی است که باعث کاهش فاصله کف خودرو تا زمین در محل قرارگیری هر محور شده و اهمیت این فاصله را تحت تاثیر قرار می‌دهد. کم شدن فاصله پوسته دیفرانسیل با سطح زمین به معنای افزایش احتمال برخورد آن با سنگ‌ها و موانع قرار گرفته در مسیر‌های سنگلاخ و ناهموار است. 

این امر نه تنها رانندگی آفرود را برای راننده به چالش لحظه به لحظه برای عبور بدون برخورد با موانع بدل می‌کند بلکه بر اثر ضربه‌های وارده بر پوسته دیفرانسیل در رانندگی‌های درازمدت و مخصوصا در سرعت‌های بالا ممکن است باعث ترک خوردگی و یا شکستگی پوسته دیفرانسیل و یا پوسته محور شود که علاوه بر خطرات احتمالی، صرف هزینه و وقت زیاد را به همراه خواهد داشت. 

اما کوچک ساختن دیفرانسیل محدودیت‌های بسیار از جمله ضعیف شدن ساختار کلی محور یکپارچه را به همراه دارد و از سویی دیگر حذف آن نیز غیرممکن است، به همین دلیل طراحان صنعت خودرو با ایده‌های مختلفی برای حل این مشکل برآمدند.

راه‌حل‌ها

ساده‌ترین روش پیشنهادی آنها جابه‌جایی محل قرارگیری دیفرانسیل از مرکز پوسته محور به یکی از کناره‌ها بود. به عبارتی دیگر، دیفرانسیل‌های جلو یا عقب و یا هر دو را به سمت چپ و یا راست نزدیک‌تر کردند. این سبک طراحی فضای خالی قابل توجهی را در یک سمت خودرو فراهم می‌آورد. راننده با آگاهی از محل قرارگیری دیفرانسیل‌ها و وجود فضای خالی در طرف دیگر، خودرو را به گونه‌ای هدایت می‌کند که موانع بزرگ و برجسته از زیر محل خالی و دارای فاصله بیشتر با زمین عبور کنند.

اما این طرح همواره چاره‌ساز نبود. اعمال جابه‌جایی محل قرار‌گیری هر دو دیفرانسیل بر محور یکپارچه در برخی خودرو‌های شاسی‌بلند با نحوه طراحی و قرارگیری خروجی‌های جعبه دنده و یا نوع سیستم تعلیق آنها سازگاری نداشت. در این صورت طراحان در بهترین حالت ممکن می‌توانستند تنها یکی از دیفرانسیل‌ها را از مرکز به یک طرف خودرو جابه‌جا کنند. اگرچه این روش نیز فضای کافی برای عبور از موانع بزرگ از طریق مانور‌های زیگزاگی را فراهم می‌کرد اما باید در نظر داشت که در مسیر‌های خطرناک، حساس و باریک فضای زیادی برای انجام مانور‌های زیگزاگ به منظور عبور از موانع فراهم نیست.

راه‌حل دیگر در گذر زمان و با پیشرفت‌های حاصل شده در طراحی سیستم تعلیق خودرو پدیدار شد. پیدایش سیستم تعلیق مستقل (Independent Suspension System) نوع جدیدی از محور‌ها را به وجود آورد که افزایش چسبندگی تایر‌ها بر سطح مسیر از ویژگی‌های برجسته و درخور توجه آنها بود. به همین دلیل از این نوع محور‌ها به منظور بهبود عملکرد و سواری دقیق‌تر بیشتر بر خودرو‌های اسپرت گران‌قیمت استفاده می‌شد. با ورود این نوع سیستم تعلیق به دنیای شاسی‌بلند‌ها مشکل برخورد دیفرانسیل با موانع برجسته و بزرگ تا حدود بسیار زیادی به واسطه نوع فنر بندی این کلاس خودرو‌ها مرتفع شد. مزیت این نوع محورها در گرو محل قرارگیری دیفرانسیل در آنها بود. با وجود سیستم‌های تعلیق مستقل دیگر خبری از پوسته محور و پوسته دیفرانسیل بزرگ نبود. در محور‌های مجهز به سیستم تعلیق مستقل، دیفرانسیل‌ها تا جای ممکن کوچک و ظریف ساخته می‌شوند چرا که دیگر قرار نیست استحکام کل پوسته محور یکپارچه را تضمین کنند. 

مهم‌تر از آن اینکه دیفرانسیل به زیری‌ترین بخش اتاق خودرو پیچ شده و فضای خالی بسیار زیادی را در قسمت زیرین خودرو فراهم می‌آورد. با این سبک طراحی نه تنها جای دیفرانسیل دیگر اهمیتی نداشت بلکه با وسط بودن دیفرانسیل طراحی سایر قسمت‌ها و اجزای فنی کاملا قرینه و یکسان شد. 

اگرچه این سبک طراحی محور امروزه به یکی از رایج‌ترین انواع مورد استفاده در خودرو‌های کلاس شاسی بلند بدل شده، اما همچنان مشکلات منحصر به خود را دارد. همانطور که پیش‌تر اشاره شد، این سبک طراحی چسبندگی و هدایت بهتر خودرو در کلاس خودرو‌های اسپرت را با خود به ارمغان آورد اما استفاده از این نوع محور در ساخت خودرو‌های شاسی‌بلند نه‌تنها همین ویژگی را به همراه نداشت بلکه دقیقا برعکس آن عمل می‌کرد. به عبارت دیگر، در آفرود‌های سنگین و خشن (Extreme Off Road) مواقعی که سیستم تعلیق خودرو تا سرحد توان تحت فشار قرار می‌گیرد، شاسی خودرو شروع به پیچ خوردن می‌کند و در این هنگام است که سیستم تعلیق مستقل، ناکارآمد عمل می‌کند و موجب کاهش چسبندگی تایر‌ها با زمین و ایجاد تداخل در انتقال صحیح نیرو به زمین می‌شود. به همین دلیل خودرو‌های دارای این نوع سیستم انتقال نیرو به قفل دیفرانسیل جلو و عقب مجهز هستند تا درصورت نیاز از تقسیم نیرو توسط دیفرانسیل جلوگیری و انتقال نیرو یکسان به دو سر هر محور ممکن شود. این درحالی است که در شرایط یکسان چنین اتفاقی برای محور‌های یکپارچه نمی‌افتد. دلیل آن هم یکپارچگی کل محور و اتصال مستقیم یک چرخ به چرخ دیگر از طریق همین محور مستحکم یکپارچه است؛ محوری که تحت تاثیر تغییرات شدید سیستم تعلیق و پیچ و تاب شاسی قرار نگرفته و پایداری و چسبندگی خود را از دست نمی‌دهد. دقیقا به همین علت است که برترین کمپانی‌های طراح و سازنده شاسی بلند در جهان از جمله جیپ حتی در پیشرفته‌ترین مدل‌های خود نیز از محور‌های دارای سیستم تعلیق مستقل استفاده نمی‌کنند و پایداری و چسبندگی بهتر محور‌های یکپارچه را بر عبور بدون مشکل از موانع بزرگ در محور‌های تعلیق مستقل ترجیح می‌دهند. به همین دلیل تقریبا تمامی خودرو‌هایی که برای آفرود‌های سنگین (Extreme Off Road) ارتقا می‌یابند، همگی از محور‌های یکپارچه فعال بهره می‌برند.

در حالی که به نظر می‌رسید رفع مشکل برخورد دیفرانسیل با موانع بزرگ به بن بست رسیده است طراحان با راه‌حل جدیدی از راه رسیدند؛ محور جدیدی با نام محور پورتال (Portal Axle) که در حقیقت گونه تغییر یافته همان محور‌های سنتی یکپارچه است. با این تفاوت که در هر سر محور پورتال یک جعبه دنده عمودی داخل توپی چرخ نصب شده بود.

این سبک طراحی محور 3 ویژگی حیاتی به همراه داشت:

1- فاصله کف خودرو از سطح زمین به میزان چشمگیری افزایش یافت و در نتیجه آن تقریبا عبور از هر مانعی ممکن شد.

2- با تغییر اندازه دنده‌های داخل توپی‌ها می‌توان بار دیگر ضرایب دنده نهایی را حتی پس از دیفرانسیل نیز تعیین کرد. با افزایش ضرایب می‌توان از فشار وارد بر دیفرانسیل کاسته و سواری بسیار سنگین‌تری فراهم آورد.

3- با یکپارچه بودن محور، چسبندگی و پایداری تایر با سطح زمین در فشار آفرود‌های سنگین نیز تحت تاثیر قرار نمی‌گیرد.

خودرو‌ هامر مدل H1 کمپانی جنرال موتورز برترین نمونه از خودرو‌های شاسی‌بلندی است که نه‌تنها از سیستم تعلیق مستقل استفاده می‌کند بلکه محور آن نیز از نوع پورتال است. به عبارت دیگر H1 از مزیت‌های هر دو نوع طراحی بهره‌وری از سیستم تعلیق مستقل و جعبه دنده عمودی پورتال بهره می‌برد. 

این ویژگی تنها یکی از نکات برتر طراحی مهندسی شده H1 در عبور از مسیر‌های دشوار و آفرود‌های سنگین بود که آن را به برترین شاسی بلند نظامی جهان و سپس یکی از قدر‌ترین شاسی بلند‌های در دسترس عوام بدل کرد. 

نتیجه‌گیری

پس از آشنایی عمیق‌تر با ویژگی‌ها و عملکرد دیفرانسیل و محل قرار‌گیری آن بر محور‌ها این سوال مطرح می‌شود که محل قرارگیری کله گاوی بر محور‌های خودرو‌های شاسی بلند واقعا چقدر اهمیت دارد؟ برخورد دیفرانسیل با موانع قرار گرفته در مسیر چقدر محتمل است؟ آیا باید آنقدر نگران این موضوع بود که هزینه گزاف و زحمت بسیار تعویض محور‌ها را به جان خرید؟

حقیقت آنجاست که در طی 10 سال تجربه اندک شخص نگارنده در رانندگی با یک دستگاه جیپ چروکی چیف مدل 1977 به عنوان یکی از برترین محصولات این برند و دارای فاصله نسبتا زیاد کف اتاق با سطح زمین در گونه‌های فابریک کمپانی، به یاد ندارم که محل قرارگیری دیفرانسیل حتی یک بار هر دردسر‌ساز شده یا با جایی برخورد کرده باشد. از این رو به تجربه شخصی اکتفا نکرده و نظر چندی از آفرودسواران حرفه‌ای را نیز جویا شدم.

نتیجه آنکه هیچ کس اندک مزیت همراستا بودن دیفرانسیل‌ها مخصوصا بر محور‌های فعال یکپارچه را رد نمی‌کند اما تاثیر این مزیت را به قدری محدود و بیشتر وابسته به مهارت راننده می‌داند که می‌توان میزان آن را تقریبا بی‌تاثیر در نظر گرفت. تا به آنجا که حتی در خودرو‌های مخصوص مسابقات آفرود سنگین (Extreme Off Road) هم به ندرت از سیستم تعلیق مستقل و یا محور پورتال استفاده می‌شود و تنها به افزایش اندازه فاق تایر بسنده می‌کنند. 

تنها نکته مورد تاکید حرفه‌ای‌ها سادگی بیشتر در عبور از مسیر‌های پربرف برای خودرو‌های دارای دیفرانسیل‌های همراستا بود که آن هم با میزان برفی که در مسیر‌های آفرود متوسط کشور می‌بارد چندان جدی نیست و این امر بیشتر متوجه آفرودسواران حرفه‌ای در مناطق سردسیر است.

لازم به ذکر است که حرفه‌ای‌ها 2 نکته عمده را دارای بیشترین تاثیر در نحوه عبور بدون دردسر از موانع بزرگ بر‌می‌شمارند که عبارتند از:

1- افزایش حداکثر فاصله حداقل کف خودرو تا زمین؛ یعنی فاصله زیر کله گاوی تا کف زمین. به عبارت دیگر باید با بهره‌گیری از تایر و ریم‌های بزرگ‌تر تا جای ممکن بر حداقل فاصله کف خودرو تا زمین که همان فاصله زیر کله گاوی تا زمین است، افزود تا نگرانی‌های حاصل از برخورد دیفرانسیل با موانع تا حد زیاد برطرف شود.

2- مهارت راننده در هدایت خودرو به نحو‌ی که نه تنها پوسته دیفرانسیل بلکه هیچ جای پوسته محور با مانع برخورد نکند. اهمیت این نکته به قدری زیاد است که حرفه‌ای‌های آفرود در صورت وقوع این اتفاق بیشتر راننده را مسئول برخورد دیفرانسیل با مانع می‌دانند و نه ارتفاع کم خودرو را.

سخن آخر آنکه شاسی‌بلند‌سواری همانند هر عمل دیگری طالب سطوح گسترده و مختلفی از مهارت، تجربه، امکانات و تجهیزات است که با صرف زمان و هزینه بسیار به دست می‌آید. 

آن اندازه که مهارت در سلامت و ظرافت سواری خودرو‌های شاسی بلند تعیین کننده است، محل قرارگیری کله گاوی به هیچ وجه اهمیت ندارد. 

پس به‌جای صرف هزینه‌های بسیار برای ارتقای سطح تجهیزات خودرو به منظور رفع نگرانی بی‌مورد حاصل از احتمال برخورد کله گاوی با موانع، باید وقت و دقت فراوان در افزایش مهارت و تجربه به خرج داد چرا که محل قرارگیری کله گاوی به واقع آن قدرها هم که شایع شده است، اهمیت ندارد.