Διαφορικό

Αρχή λειτουργίας διαφορικού: Video
Λειτουργία διαφορικού: CATIA animation
Λειτουργία διαφορικού: Inventor animation


Διαφορικές εξισώσεις και ανισότητες (4Τ 192, 9/1986)

Συντάκτης: Πάνος Φιλιππακόπουλος

ΜΙΑ ΜΑΤΙΑ ΣΤΙΣ ΤΕΛΕΥΤΑΙΕΣ ΕΞΕΛΙΞΕΙΣ ΣΤΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΜΕΤΑΔΟΣΗΣ ΚΑΙ ΕΙΔΙΚΟΤΕΡΑ ΣΤΟ ΔΙΑΦΟΡΙΚΟ, ΠΟΥ ΔΗΜΙΟΥΡΓΟΥΝ ΕΛΠΙΔΕΣ ΓΙΑ ΕΝΑ ΕΝΤΕΛΩΣ ΝΕΟ ΕΠΙΒΑΤΙΚΟ ΑΥΤΟΚΙΝΗΤΟ ΜΕ ΟΜΟΙΟΜΟΡΦΗ ΟΔΙΚΗ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ ΣΕ ΚΑΘΕ ΔΡΟΜΟ ΚΑΙ ΜΕ ΑΠΟΛΥΤΗ ΑΣΦΑΛΕΙΑ.
sx1.jpg
Σχήμα 1: Τομή ενός διαφορικού

Το διαφορικό ήταν πάντα ένα από τα «δύσκολα» εξαρτήματα του αυτοκινήτου, για το οποίο όλοι ξέρουν ότι υπάρχει, όλοι ξέρουν ότι αποτελεί βασικό και απαραίτητο τμήμα του αυτοκινήτου, όπως ο κινητήρας, το κιβώτιο ή οι τροχοί, όλοι ξέρουν περίπου ποιά είναι η χρησιμότητά του, αλλά κανείς σχεδόν δεν ξέρει πώς ακριβώς λειτουργεί. Πριν λοιπόν ασχοληθούμε με τις σύγχρονες τεχνολογικές εξελίξεις που τα αφορούν, πιστεύουμε πώς είναι χρήσιμο να υπενθυμίσουμε πρώτα πώς είναι κατασκευασμένο και πως λειτουργεί ένα κλασικό διαφορικό.
Η πρώτη λειτουργία που εκτελεί, είναι η μεταφορά της περιστροφικής κίνησης από τον κινητήριο άξονα στους άξονες των κινητήριων τροχών. Για το σκοπό αυτό, το άκρο του κινητήριου άξονα που μπαίνει μέσα στο περίβλημα του διαφορικού καταλήγει σ' ένα μικρό οδοντωτό τροχό, το πινιόν. Ο οδοντωτός αυτός τροχός δίνει κίνηση σ' ένα μεγάλο οδοντωτό τροχό, το μεγαλύτερο γρανάζι του διαφορικού, που ονομάζεται κορώνα και βρίσκεται στην αρχή του ενός από τα δύο ημιαξόνια (βλ. Σχ. 2). Έτσι έχουμε έναν υποπολλαπλασιασμό στη μετάδοση της κίνησης προς τους τροχούς. Παράλληλα με την κορώνα έρχονται τα δύο ημιαξόνια, το καθένα από τα οποία καταλήγει σ' ένα μικρότερο οδοντωτό τροχό, που ονομάζεται πλανήτης. Οι δύο πλανήτες βρίσκονται σε σύζευξη μεταξύ τους και με την κορώνα, μέσω δύο άλλων οδοντωτών τροχών, των δορυφόρων. Όταν το αυτοκίνητο κινείται στην ευθεία, η αντίσταση που παρουσιάζουν οι δύο τροχοί στην κίνηση είναι η ίδια. Έτσι η κορώνα με την περιστροφή της παρασύρει σε περιστροφή ολόκληρο το σύστημα και οι δύο τροχοί κινούνται με την ίδια ταχύτητα. Όταν όμως το αυτοκίνητο στρίβει, ο εξωτερικός τροχός πρέπει μέσα στο ίδιο χρονικό διάστημα να διανύσει μεγαλύτερη απόσταση. Ο εσωτερικός τροχός, που έχει να διανύσει μικρότερη απόσταση περιστρέφεται πιο αργά και παρουσιάζει έτσι αντίσταση στην «προσπάθεια» του εξωτερικού να τον συμπαρασύρει στον ίδιο ρυθμό περιστροφής. Έτσι, αφού η κορώνα μοιράζει τη ροπή 50-50% στα δύο ημιαξόνια, αυτά περιστρέφονται με διαφορετικές ταχύτητες μεταξύ τους, κάτι που γίνεται δυνατό χάρη στη σύνδεσή τους μέσω γραναζιών, των δορυφόρων, που αρχίζουν στο σημείο αυτό να περιστρέφονται με αντίθετη φορά μεταξύ τους, επιτρέποντας την «ολίσθηση» μεταξύ των πλανητών (δηλαδή μεταξύ των ημιαξονίων). Αυτή είναι με λίγα λόγια η αρχή λειτουργίας του διαφορικού που, όπως και ο τρόπος κατασκευής του, φαίνεται καθαρά στο σχετικό σχήμα. Το πρόβλημα που δημιουργείται μ' αυτό τον τρόπο λειτουργίας, με τη δυνατότητα δηλαδή απεριόριστης «ολίσθησης» μεταξύ των δύο ημιαξονίων, είναι όταν στην ακραία περίπτωση βρεθεί ο ένας τροχός σε κανονικό οδόστρωμα και ο άλλος σε επιφάνεια με ελάχιστη τριβή (πάγο, λάσπη, άμμο κ.λπ.). Στην περίπτωση αυτή, ο τροχός με τη μικρή τριβή περιστρέφεται «τρελά» και ο άλλος παραμένει ακίνητος, ακινητοποιώντας έτσι και το αυτοκίνητο. Αυτός είναι ο λόγος που παρουσιάστηκαν τα διαφορικά «ελεγχόμενης ολίσθησης» ή «μπλοκέ» που δεν επιτρέπουν στα δύο ημιαξόνια να περιστρέφονται με μεγάλη διαφορά μεταξύ τους ή και με καθόλου διαφορά. Έτσι ουσιαστικά η ροπή δεν μεταφέρεται πλέον μισή - μισή στους δύο τροχούς, αλλά σε μεγαλύτερο ποσοστό στον τροχό που παρουσιάζει τη μεγαλύτερη αντίσταση (άρα σ' αυτόν που ακουμπά σε επιφάνεια με μεγαλύτερη τριβή) και το αυτοκίνητο δεν ακινητοποιείται παρά μόνο αν πέσουν και οι δύο τροχοί του σε επιφάνεια με ελάχιστη τριβή.
sx2.jpg Video
Σχήμα 2: Σχηματική απεικόνιση του διαφορικού κατά την κίνηση στην ευθεία (αριστερά) και σε αριστερή στροφή (δεξιό). Τα βέλη δείχνουν τη φορά περιστροφής του κάθε τμήματος. Παρατηρούμε ότι στην ευθεία σε κανονικό οδόστρωμα οι πλανήτες, οι δορυφόροι και τα ημιαξόνια ακλουθούν σαν ένα ενιαίο σύνολο το πλαίσιο με την κορώνα στην περιστροφή τους και περιστρέφονται όλα με την ίδια ταχύτητα (τη μετάδοση της κίνησης στη ν κορώνα κάνει ένα μικρό γρανάζι τοποθετημένο κάθετα προς αυτήν και σε εμπλοκή μαζί της, το πινιό, που δεν φαίνεται στο σχήμα. Το πινιό αποτελεί κατάληξη του τελικού άξονα μετάδοσης του συνόλου κινητήρας - κιβώτιο). Στην αριστερή στροφή, η ροπή επιβράδυνσης που αναπτύσσεται στο εσωτερικό (αριστερό) ημιαξόνιο μειώνει την ταχύτητα περιστροφής του. Για να γίνει αυτό δυνατό, οι δορυφόροι, περιστρεφόμενοι μεταξύ των δύο πλανητών, επιτρέπουν στους τελευταίους να περιστρέφονται με διαφορετικές ταχύτητες. Η κατανομή της ροπής είναι πάντα 50-50% στα δύο ημιαξόνια (η διαφορά στην ταχύτητα περιστροφής οφείλεται στη διαφορετική αντίσταση που προβάλλουν οι τροχοί κατά την περιστροφή τους).

Στην πρώτη περίπτωση, στα διαφορικά δηλαδή ελεγχόμενης ολίσθησης, ο μηχανισμός είναι αρκετά πολύπλοκος κι επειδή η λειτουργία του βασίζεται στην τριβή μεταξύ μιας ομάδας δίσκων, υπάρχει ο κίνδυνος της γρήγορης φθοράς. Στη δεύτερη περίπτωση στα διαφορικά δηλαδή που είναι 100% μπλοκέ, υπάρχει μεγάλη φθορά των ελαστικών αφού στις στροφές ο τροχός που διανύει τη μικρότερη απόσταση, «σπινάρει» γιατί παρασύρεται από τον άλλον κι αναγκάζεται να κινηθεί με την ίδια ταχύτητα μ' εκείνον. Για πολλά χρόνια λοιπόν το πρόβλημα λυνόταν με όχι ολοκληρωμένες λύσεις στα αυτοκίνητα που κινούνται εκτός δρόμου και καθόλου στα κοινά επιβατικά αυτοκίνητα, οι οδηγοί των οποίων, κυρίως στις βόρειες χώρες, έπρεπε να… προσεύχονται να μη βρεθούν σε δρόμο με πάγο, χιόνι ή λάσπη.

Το διαφορικό «Τόρσεν»

Το αυτό του Κολόμβου βρήκε πρόσφατα ένας Αμερικανός μηχανικός, ο Βέρνον Γκλίσμαν, μ' ένα επαναστατικό διαφορικό, που βασίζεται στην αντεπίστροφη μετάδοση της κίνησης, στη δυνατότητα δηλαδή ενός εξαρτήματος να μεταδίδει κίνηση σ' ένα άλλο, χωρίς όμως να συμβαίνει και το αντίθετο. Η ευρεσιτεχνία του Γκλίσμαν κατοχυρώθηκε για πρώτη φορά το 1958, μόλις όμως το 1970 βρέθηκε μια μικρή εταιρία που άρχισε την κατασκευή του διαφορικού Τόρσεν σε μικρούς αριθμούς, αφού έπρεπε πρώτα να λυθούν αρκετά τεχνικά προβλήματα. Για να καταλάβουμε ακριβώς ποιά είναι η αρχή λειτουργίας του διαφορικού Τόρσεν, ας ξαναγυρίσουμε λίγο στην κίνηση του αυτοκινήτου και τη λειτουργία του κοινού διαφορικού. Όταν το αυτοκίνητο κινείται πάνω στη στροφή, οι τροχοί αναπτύσσουν κάτω από την επίδραση των δυνάμεων της κίνησης ένα ζεύγος ροπών αντίθετων μεταξύ τους. Κι αυτό γιατί ο εσωτερικός τροχός, έχοντας να διανύσει μικρότερη διαδρομή τείνει να επιβραδυνθεί και να επιβραδύνει μαζί του τον άξονα, ενώ ο εξωτερικός, για να διανύσει τη μεγαλύτερη διαδρομή που απαιτείται, επιταχύνεται για να «προλάβει» την κίνηση του αυτοκινήτου και τείνει να επιταχύνει όλο τον άξονα μαζί του. Επειδή τα δύο ημιαξόνια έχουν τη δυνατότητα να περιστρέφονται με διαφορετική ταχύτητα μεταξύ τους (σωστότερα, κι περιστρέφονται με διαφορετική ταχύτητα ως προς τον εξωτερικό παρατηρητή και με αντίθετη φορά μεταξύ τους ως προς τον παρατηρητή που ακολουθεί την κίνηση του άξονα), οι δύο αντίθετες ροπές έχουν σαν αποτέλεσμα τελικά τη διαφορά ακριβώς αυτή στην κίνηση. Στην περίπτωση που το αυτοκίνητο κινείται στην ευθεία, αλλά οι δύο τροχοί του βρεθούν σε επιφάνειες με διαφορετικό συντελεστή τριβής, το φαινόμενο είναι διαφορετικό, αλλά το αποτέλεσμα το ίδιο. Εδώ υπάρχει μόνο η ροπή που ασκεί ο κινητήρας στους τροχούς, η οποία κατανέμεται ακριβώς 50-50% σε κάθε τροχό, η αντίσταση όμως που συναντάει ο κάθε τροχός κατά την κίνησή του είναι διαφορετική, λόγω της διαφορετικής τριβής. Έτσι, ο τροχός με τη μικρότερη πρόσφυση (άρα και τη μικρότερη αντίσταση) κινείται με τη μεγαλύτερη ταχύτητα, κάτι που είναι δυνατό ακριβώς λόγω της δυνατότητας που προσφέρει το διαφορικό στα δύο ημιαξόνια να περιστρέφονται με διαφορετικές ταχύτητες. Στην ακραία περίπτωση, ακριβώς επειδή αυτή η δυνατότητα είναι απεριόριστη κι επειδή, από την αρχή κατασκευής του διαφορικού, το μισό του αθροίσματος των ταχυτήτων περιστροφής των δύο ημιαξονίων ισούται με την κινητήρια ταχύτητα του συνόλου του άξονα, είναι δυνατό ο ένας τροχός να μένει ακίνητος κι ο άλλος να περιστρέφεται με ταχύτητα διπλάσια της κινητήριας (της ταχύτητας δηλαδή της κορώνας), με τελική συνέπεια βέβαια να ακινητοποιείται το αυτοκίνητο. Όλα αυτά θα μπορούσαν ν' αποφευχθούν αν στο διαφορικό υπήρχε μια αντεπιστροφή μετάδοση κίνησης, έτσι δηλαδή ώστε οι ροπές που ασκούν οι τροχοί να μπορούν να μεταδώσουν κίνηση στους δορυφόρους και να κάνουν τα ημιαξόνια να στρέφονται με διαφορετική ταχύτητα (περίπτωση κίνησης στις στροφές), οι ίδιοι όμως οι δορυφόροι να μην μπορούν να αναγκάσουν τους πλανήτες να περιστραφούν με διαφορετική ταχύτητα (περίπτωση κίνησης στην ευθεία σε επιφάνειες με διαφορετική τριβή για τον κάθε τροχό).
sx3.jpg
Σχήμα 3: Σχηματική παράσταση της αρχής λειτουργίας (αντεπιστροφή μετάδοση της κίνησης) του ζεύγους ατέρμων κοχλίας - γρανάζι. Η ροπή που ασκείται στο γρανάζι δεν μπορεί να κινήσει τον κοχλία, ασκώντας απλώς σ' αυτόν μια δύναμη παράλληλη με τον άξονά του. Αντίθετα, ο κοχλίας περιστρεφόμενος (με την εφαρμογή μιας ροπής σ αυτόν) μπορεί να κινήσει το γρανάζι.

Αυτό ακριβώς επιτυγχάνει το διαφορικό Τόρσεν, χρησιμοποιώντας τον πιο γνωστό και πιο απλό μηχανισμό αντεπιστροφής μετάδοσης της κίνησης, το συνδυασμό γραναζιού - ατέρμονα κοχλία. Όπως φαίνεται στο σχετικό σχήμα τα ημιαξόνια καταλήγουν σ' έναν ατέρμονα κοχλία το καθένα, αντί σε γρανάζια, ενώ οι δορυφόροι είναι, όπως και στο κοινό διαφορικό, γρανάζια (η κάπως ασυνήθιστη μορφή τους, με τα άκρα τους να είναι κοινά γρανάζια ευθείας οδόντωσης και το μέσο τους ελικοειδές γρανάζι, οφείλεται σε καθαρά πρακτικούς λόγους λειτουργίας). Έτσι, οι πλανήτες, οι ελικοειδείς δηλαδή κοχλίες, μπορούν να κινήσουν τα γρανάζια - δορυφόρους, ενώ οι τελευταίοι δεν μπορούν να κινήσουν τους κοχλίες, ασκώντας απλώς σ' αυτούς μια δύναμη παράλληλη προς το ημιαξόνιο (τείνουν δηλαδή να τους κινήσουν σε ευθεία γραμμή, κάτι βέβαια που αποκλείεται, αφού τα ημιαξόνια είναι ακίνητα και μπορούν μόνο να περιστραφούν). Ας δούμε τώρα πώς ακριβώς αντιδρά το διαφορικό Τόρσεν κατά την κίνηση του αυτοκινήτου. Στην περίπτωση κίνησης στην ευθεία σε κανονικό δρόμο, όλα λειτουργούν όπως στο κοινό διαφορικό, το πινιό δίνει κίνηση στην κορώνα κι αυτή περιστρέφει όλο το σύνολο του διαφορικού με την ίδια ταχύτητα, αφού παρασύρει στην κίνησή της τους δορυφόρους κι αυτοί με τη σειρά τους σαν ενιαίο σύνολο τους πλανήτες και τα ημιαξόνια. Όταν το αυτοκίνητο κινείται σε μια στροφή (π.χ. προς τα αριστερά), εκτός από τη ροπή που ασκεί στον άξονα ο κινητήρας, υπάρχει και το ζεύγος των αντίθετων ροπών που προαναφέραμε, οι οποίες ασκούνται από τους τροχούς στα δύο ημιαξόνια. Ο αριστερός τροχός για παράδειγμα, που είναι ο εσωτερικός, επιβραδύνεται και ασκεί μία ροπή της ίδιας φοράς στον κοχλία του ημιαξονίου του (τείνει δηλαδή να τον επιβραδύνει). Ο κοχλίας με τη σειρά του αρχίζει να κινεί το γρανάζι - δορυφόρο με το οποίο είναι συνδεδεμένος. Από τη δεξιά πλευρά συμβαίνουν τα ακριβώς αντίθετα, καθώς ο τροχός επιταχύνει, ασκεί μία ροπή επιτάχυνσης στον κοχλία του κι αυτό γυρίζει το αντίστοιχο γρανάζι - δορυφόρο του (για λόγους απλούστευσης μιλάμε στον ενικό, στην πραγματικότητα υπάρχουν δύο γρανάζια για κάθε κοχλία που κάνουν την ίδια ακριβώς δουλειά), με φορά αντίθετη από του γραναζιού του αριστερού τροχού. Επειδή τα δύο γρανάζια συνδέονται, μπορούν να περιστρέφονται (μόνο) με αντίθετη φορά μεταξύ τους κι έτσι τελικά οι δύο τροχοί περιστρέφονται με διαφορετική ταχύτητα μεταξύ τους, όπως και με το κοινό διαφορικό.
sx4.jpg Video
Σχήμα 4: Το διαφορικό Τόρσεν. Οι πλανήτες αντί για γρανάζια είναι ατέρμονες κοχλίες και οι δορυφόροι είναι δύο ζεύγη ελικοειδών γραναζιών με άκρα γρανάζια ευθείας οδόντωσης. (Τα γρανάζια αυτά είναι απαραίτητα για τη σύνδεση των ελικοειδών γραναζιών, που δεν μπορούν να εμπλακούν μεταξύ τους γιατί η οδόντωσή τους έχει την ίδια φορά). Οι ατέρμονες κοχλίες μπορούν, εφ' όσον ασκηθεί επάνω τους ροπή από τα ημιαξόνια (δηλαδή μόνο στις στροφές) να μεταδώσουν κίνηση στα γρανάζια που, περιστρεφόμενα μεταξύ τους με διαφορετική φορά, επιτρέπουν στους ατέρμονες κοχλίες να περιστρέφονται με διαφορετική ταχύτητα. Αντίθετα, τα γρανάζια δεν μπορούν να μεταδώσουν κίνηση στους κοχλίες, παρά μόνο όταν στρέφονται σαν σύνολο γύρω απ' αυτούς (όπως δηλαδή συμβαίνει και με τους δορυφόρους του κοινού διαφορικού στην ευθεία σε κανονικό οδόστρωμα) και όχι περιστρεφόμενα γύρω από τον εαυτό τους.

Άνιση κατανομή της ροπής

Ας πάρουμε τώρα την περίπτωση όπου οι δύο τροχοί βρίσκονται στην ευθεία, αλλά ο ένας, π.χ. ο δεξιός, ακουμπά στην άσφαλτο και ο άλλος σε επιφάνεια με ελάχιστη τριβή (π.χ. πάγο). Το δεξί γρανάζι - δορυφόρος παρασύρεται από την κίνηση της κορώνας (δηλ. από τη ροπή του κινητήρα) και με τη σειρά του τείνει να παρασύρει τον αντίστοιχο του κοχλία, γυρίζοντας γύρω απ' αυτόν. (Προσοχή: άλλο η μετάδοση της κίνησης μεταξύ γραναζιών ή κοχλία - γραναζιού κι άλλο ο εξαναγκασμός σε κίνηση. Στην πρώτη περίπτωση εννοούμε ότι το γρανάζι, ή ο κοχλίας, περιστρέφεται γύρω από τον εαυτό του και, λόγω της σύνδεσης με το άλλο γρανάζι μεταδίδει την κίνηση και σ' αυτό, ενώ στη δεύτερη περίπτωση το γρανάζι περιστρέφεται μαζί με την κορώνα γύρω από τον κοχλία, παρασύροντάς τον αναγκαστικά στην κίνησή του αφού είναι συνδεδεμένο μαζί του). Την ίδια κίνηση κάνει και το αριστερό γρανάζι, μόνο που εδώ, κι αυτή είναι η διαφορά με το κοινό διαφορικό, παρ' όλο που το δεξί γρανάζι τείνει να το «εξαναγκάσει» να κινηθεί γύρω από τον εαυτό του, στρέφοντας ταχύτερα τον αντίστοιχο κοχλία και τροχό (αφού ο τελευταίος παρουσιάζει μειωμένη αντίσταση) αυτό δεν είναι δυνατό, γιατί το γρανάζι δεν μπορεί να μεταδώσει κίνηση στον κοχλία (παρά μόνο να τον εξαναγκάσει ν' ακολουθήσει την κίνηση του συνόλου του διαφορικού, καθώς στρέφεται γύρω απ' αυτόν). Αναγκαστικά λοιπόν, αφού η αντίσταση που παρουσιάζουν οι δύο τροχοί είναι διαφορετική αλλά τα ημιαξόνια δεν μπορούν να κινηθούν με διαφορετική ταχύτητα μεταξύ τους, το σύνολο του διαφορικού κινείται ενιαία με την ίδια ταχύτητα και η ροπή δεν μεταδίδεται κατά το ήμισυ στους δύο τροχούς, αλλά περισσότερη σ' αυτόν με τη μεγαλύτερη πρόσφυση και φυσικά το αυτοκίνητο δεν ακινητοποιείται.
Με λίγα λόγια λοιπόν, η συμπεριφορά του διαφορικού Τόρσεν στο δρόμο παρουσιάζεται ως εξής:

  1. Στην ευθεία, σε δρόμο με ομοιόμορφο οδόστρωμα, όπου ο συντελεστής τριβής είναι παντού ο ίδιος, η ροπή κατανέμεται ακριβώς στη μέση σε καθένα από τους δύο τροχούς, που περιστρέφονται με την ίδια ταχύτητα.
  2. Κατά την κίνηση των τροχών σε επιφάνειες με διαφορετικό συντελεστή τριβής, το διαφορικό και τα ημιαξόνια συμπεριφέρονται σαν ένας ενιαίος άξονας και περιστρέφονται με την ίδια ταχύτητα περιστροφής, ενώ ο τροχός που κινείται στην λιγότερο ολισθηρή επιφάνεια δέχεται το μεγαλύτερο μέρος της ροπής.
  3. Στις στροφές η ροπή κατανέμεται εξίσου στους δύο τροχούς, ενώ το διαφορικό επιτρέπει στον εξωτερικό τροχό να περιστρέφεται με μεγαλύτερη ταχύτητα από τον εσωτερικό. Εδώ δηλαδή, το διαφορικό Τόρσεν συμπεριφέρεται ακριβώς όπως ένα κλασικό διαφορικό.
  4. Επίσης στις στροφές, όπου όμως οι δύο τροχοί κινούνται σε επιφάνειες με διαφορετική τριβή, το Τόρσεν διαφοροποιείται από το κλασικό διαφορικό. Έτσι, ενώ επιτρέπει στους δύο τροχούς να κινούνται με διαφορετική ταχύτητα, δεν κατανέμει εξίσου τη ροπή, αλλά μεταδίδει περισσότερη στον τροχό με την καλύτερη πρόσφυση.
  5. Τέλος, κατά την κίνηση στην ευθεία, σε δρόμο με σημαντική πλάγια κλίση, όπου οι δύο τροχοί περιστρέφονται με την ίδια ταχύτητα, αλλά αυτός που βρίσκεται χαμηλότερα έχει μεγαλύτερη πρόσφυση (λόγω στήριξης μεγαλύτερου μέρους του βάρους του αυτοκινήτου εξαιτίας της κλίσης), ο τελευταίος δέχεται και μεγαλύτερο μέρος της ροπής.

Όλα αυτά πολύ ωραία, αλλά πόσο εύκολη ήταν η εφαρμογή τους στην πράξη; Μάλλον καθόλου, αφού τα τεχνικά προβλήματα που έπρεπε να ξεπεραστούν ήταν μεγάλα: έπρεπε, για παράδειγμα, το γρανάζι να γίνει μικρότερο από τον κοχλία, ενώ στις μέχρι τότε εφαρμογές του συνδυασμού γρανάζι - ατέρμων κοχλίας γινόταν το αντίθετο. Έπρεπε επίσης να μελετηθούν οι στατικές αλληλεπιδράσεις μεταξύ των δύο μερών του συστήματος, ενώ μέχρι τότε δεν είχαν μελετηθεί παρά οι δυναμικές. Έπρεπε να δημιουργηθούν εργαλεία για τη δημιουργία των οδοντώσεων στα γρανάζια, σε γωνίες διαφορετικές από τα μέχρι τότε στάνταρ, κ.λπ. κ.λπ.
Η πρόοδος ήταν σημαντική και η μεγάλη επιτυχία του διαφορετικού Τόρσεν ήταν η υιοθέτησή του για το νέο «τζιπ» του αμερικανικού στρατού, μετά από εξαντλητικές δοκιμές μεγάλης διάρκειας, όπου η αντοχή του αποδείχτηκε ανάλογη του κοινού διαφορικού. Αλλά και για την εφαρμογή του στα αυτοκίνητα υπάρχουν ευοίωνες προοπτικές, αφού ήδη τοποθετήθηκε στη Λάντσια Δέλτα 4x4, ένα αυτοκίνητο με μεγάλες απαιτήσεις στον τομέα της οδικής συμπεριφοράς. Και γιατί όχι άλλωστε, αφού το διαφορικό Τόρσεν έχει όλα τα πλεονεκτήματα των μπλοκέ διαφορικών, χωρίς τα βασικά τους μειονεκτήματα. Σε συνδυασμό μάλιστα και με τη μετάδοση της κίνησης και στους 4 τροχούς, μπορεί να προσφέρει κατά την κίνηση εκτός δρόμου δυνατότητες ανάλογες αυτών ενός ερπυστριοφόρου οχήματος. Μοναδικό μειονέκτημα σε σχέση με το κοινό διαφορικό, είναι ότι το Τόρσεν είναι λίγο μεγαλύτερο και λίγο βαρύτερο, γιατί χρειάζεται να τοποθετηθεί μέσα σ' ένα περίβλημα μεγαλύτερης αντοχής, που ν' αντέχει στις εγκάρσιες αντιδράσεις των κοχλιών. Μήπως όμως και τα μπλοκέ διαφορικά δεν είναι πιο πολύπλοκα και βαριά, δημιουργώντας μάλιστα και νέα προβλήματα για να λύσουν τα παλιά;

Το διαφορικό Ανρί

Τον Απρίλιο του 1984, το γαλλικό επιστημονικό περιοδικό «Science & Vie» δημοσίευσε ένα άρθρο πάνω στο διαφορικό Τόρσεν, εξηγώντας τις αρχές κατασκευής και λειτουργίας του. Όπως ήταν φυσικό, το άρθρο δημιούργησε μεγάλο ενδιαφέρον μεταξύ των αναγνωστών του περιοδικού, γιατί είναι γεγονός ότι το διαφορικό Τόρσεν αποτελεί μια πραγματική επανάσταση στον τομέα της μετάδοσης της κίνησης, λύνοντας σημαντικά προβλήματα χωρίς να δημιουργεί νέα. Οι Γάλλοι όμως συνάδελφοι εξεπλάγησαν όταν, ελάχιστους μήνες αργότερα, ένας αναγνώστης, ο μηχανικός Μαξ Ανρί (Max Henry), Τεχνικός Διευθυντής μιας εταιρίας ειδικευμένης στους τροχούς και τα αξεσουάρ αυτοκινήτων, τους επισκέφτηκε μ' ένα διαφορικό δικής του έμπνευσης, που έκανε την ίδια ακριβώς δουλειά με το Τόρσεν, αλλά με κατασκευή που πλησιάζει πολύ περισσότερο αυτή του κοινού διαφορικού! Η εφεύρεση αυτή, που ο δημιουργός της την εμπνεύστηκε από το άρθρο του περιοδικού πάνω στο Τόρσεν, θεωρήθηκε τόσο ενδιαφέρουσα από το "Science & Vie", που του αφιέρωσε ένα νέο άρθρο, 6 μήνες μετά την παρουσίαση του Τόρσεν. Γιατί, όπως γράφτηκε στην εισαγωγή, αν και κάθε εβδομάδα φτάνουν στα γραφεία του περιοδικού (όπως άλλωστε και στα δικά μας) ένα σωρό προτάσεις για εφευρέσεις πάνω στο χαρτί, ήταν μία από τις ελάχιστες φορές που ο εφευρέτης έφερε κι ένα πρωτότυπο, το οποίο μάλιστα λειτούργησε θαυμάσια!

sx5a.jpg sx5b.jpg
Στις απεικονίσεις Α, Β και ο Γ, φαίνεται η κατασκευαστική αρχή των μηχανισμών αντεπιστροφής μετάδοσης της κίνησης του τύπου έκκεντρο - περίβλημα, που υπάρχουν στο διαφορικό Ανρί. στη στοιχειώδη της μορφή. Ο άξονας συνδέεται με το έκκεντρο και όταν περιστρέφεται αριστερόστροφα ο μικρός κύλινδρος (κυλινδρικός τριβέας) «σφηνώνει» στο μικρότερο διάκενο μεταξύ έκκεντρου και περιβλήματος, παρασύροντας στην περιστροφή του συνόλου και το περίβλημα. Αντίθετα, στη δεξιόστροφη περιστροφή ο μικρός κύλινδρος έρχεται στο πλατύτερο διάκενο, δεν σφηνώνει, και το έκκεντρο περιστρέφεται μόνο του, ενώ το περίβλημα παραμένει ακίνητο. Στην πληρέστερη μορφή του, ώστε να υπάρχει αντεπίστροφη μετάδοση προς οποιαδήποτε κατεύθυνση, ο μηχανισμός φαίνεται στις απεικονίσεις Δ, Ε, ΣΤ και Ζ. Οι κυλινδρικοί τριβείς είναι δύο και σφηνώνονται με τη βοήθεια ενός ελατηρίου στα δύο στενά άκρα του διάκενου. Όταν η ροπή μεταδίδεται στο περίβλημα, αυτό παρασύρει στην κίνησή του και το έκκεντρο και δεν μπορεί να κινηθεί μόνο του. Όταν όμως μεταδίδεται η ροπή στο έκκεντρο, μέσω του εξωτερικού δίσκου με τις τρεις προεξοχές, η μία απ αυτές (ανάλογα με τη φορά της περιστροφής) ξεμπλοκάρει τον αντίστοιχο κύλινδρο και το έκκεντρο περιστρέφεται ανεξάρτητα από το περίβλημα. Με το μηχανισμό αυτό επομένως έχουμε μετάδοση της κίνησης από το περίβλημα στο έκκεντρο, όχι όμως και από το έκκεντρο στο περίβλημα.

Ποιά ήταν ακριβώς η λύση που πρότεινε ο Γάλλος μηχανικός; Όπως είπαμε παραπάνω, η λειτουργία του διαφορικού Τόρσεν βασίζεται στην αντεπιστροφή μετάδοση της κίνησης. Ο τρόπος αυτός μετάδοσης είναι, όπως επίσης αναφέραμε, γνωστός από χρόνια κι επιτυγχάνεται με διάφορους τρόπους και διαφόρων ειδών μηχανισμούς, ένας από τους οποίους είναι ο συνδυασμός ατέρμονα κοχλία - γραναζιού, που χρησιμοποίησε ο Βέρνον Γκλίσμαν για τη δημιουργία του Τόρσεν. Ο Ανρί σκέφτηκε μια ακόμη πιο απλή λύση, να χρησιμοποιήσει δηλαδή δύο μικρούς μηχανισμούς αντεπιστροφής διαφορετικού είδους σ' ένα κοινό διαφορικό!
Η σύνδεση γίνεται ως εξής: οι μηχανισμοί αντεπιστροφής μετάδοσης της κίνησης τοποθετούνται μεταξύ των δύο ημιαξονίων και του «πλαισίου» του διαφορικού που σχηματίζει η κορώνα με την εγκάρσια προέκτασή της. Ένα δηλαδή μηχανισμός αντεπιστροφής τοποθετείται μεταξύ της κορώνας και του ημιαξονίου το οποίο περιβάλλει κι ένας άλλος μεταξύ της προέκτασης της κορώνας και του άλλου ημιαξονίου.
Οι μηχανισμοί αυτοί βασίζονται στην αρχή έκκεντρου - περιβλήματος, όπου τα δύο περιστρεφόμενα συστήματα, π.χ. η κορώνα και το ημιαξόνιο, καταλήγουν το ένα σ' ένα έκκεντρο και το άλλο σ' ένα κυλινδρικό περίβλημα γύρω από το έκκεντρο. Η διάμετρος του έκκεντρου είναι τέτοια που του επιτρέπει να περιστρέφεται μέσα στο περίβλημα, υπάρχουν όμως δύο μικροί κύλινδροι που «σφηνώνουν» τα δύο τμήματα του μηχανισμού μεταξύ τους με τη βοήθεια ενός ελατηρίου και δεν τ' αφήνουν να κινηθούν ανεξάρτητα (βλ. σχήμα). Αυτό συμβαίνει όταν υπάρχει μετάδοση της κίνησης (της κινητήριας δηλαδή ροπής) στο περίβλημα, οπότε το περίβλημα παρασύρει στην κίνησή του και το έκκεντρο, με το οποίο αποτελεί ένα σώμα, λόγω του «σφηνώματος». Στην περίπτωση όμως που η ροπή μεταδίδεται στο έκκεντρο, ένας δίσκος με προεξοχές που συνδέεται μ' αυτό, μετακινεί τον αντίστοιχο κύλινδρο-σφήνα, ξεμπλοκάροντας τη σύζευξη έκκεντρου περιβλήματος κι επιτρέποντας στο έκκεντρο να περιστρέφεται ανεξάρτητα από το περίβλημα. Ο μηχανισμός αυτός αντεπιστροφής μετάδοσης δεν είναι νέος και τέτοια συστήματα χρησιμοποιούνται συχνά στη βιομηχανία σε διάφορες περιπτώσεις, κάτι που γνώριζε, σαν μηχανικός, ο κ. Ανρί.
Χρησιμοποίησε λοιπόν δύο τέτοιους μηχανισμούς και, για να δούμε πώς ακριβώς λειτουργεί το διαφορικό του, ας ξαναγυρίσουμε για λίγο στο αρχικό μας σχήμα του κοινού διαφορικού. Ας υποθέσουμε πως ο αριστερός τροχός ακουμπά σε κανονικό οδόστρωμα και ο δεξιός σε επιφάνεια ελάχιστης τριβής. Η ροπή από τον κινητήρα μεταδίδεται στην κορώνα που, συνδεδεμένη με τον άξονα των δορυφόρων, τον παρασύρει στην περιστροφή της. Επειδή οι δύο πλανήτες παρουσιάζουν διαφορετική αντίσταση στην κίνηση των δορυφόρων (λόγω διαφορετικής αντίστασης των τροχών) δεν παρασύρονται κι αυτά στην περιστροφική κίνηση. Αντίθετα, οι δορυφόροι κινούνται επάνω στον αριστερό πλανήτη, που παραμένει ακίνητος, και περιστρέφουν με τη διπλάσια ταχύτητα απ' αυτή της κορώνας τον δεξιό πλανήτη με το ημιαξόνιο και τον τροχό του. Το αυτοκίνητο έχει «κολλήσει». Ας σκεφτούμε τώρα ένα μηχανισμό αντεπιστροφής μετάδοσης μεταξύ της κορώνας και του αριστερού ημιαξονίου, που μπλοκάρει τη σύνδεση μεταξύ τους όταν μεταδίδεται ροπή από την κορώνα και τα υποχρεώνει να περιστρέφονται σαν ενιαίο σύνολο, ενώ απελευθερώνεται όταν μεταδίδεται ροπή από τον τροχό, επιτρέποντας σ' αυτή την περίπτωση στο ημιαξόνιο να περιστρέφεται ανεξάρτητα από την κορώνα. Ένας παρόμοιος μηχανισμός αντεπιστροφής μετάδοσης υπάρχει και μεταξύ του πλαισίου του διαφορικού και του δεξιού ημιαξονίου, ελέγχοντας την κίνηση κι αυτού. Ας υποθέσουμε λοιπόν ότι βρισκόμαστε στην κατάσταση που περιγράψαμε προηγουμένως. Η ροπή από τον κινητήρα οδηγεί σε περιστροφή του συστήματος κορώνας - δορυφόρων. Και καθώς το αριστερό ημιαξόνιο είναι μπλοκαρισμένο και συνδεδεμένο με την κορώνα, δεν παραμένει ακίνητο αλλά παρασύρεται μαζί της και μαζί με το άλλο ημιαξόνιο (που επίσης είναι μπλοκαρισμένο) στην περιστροφή. Όπως ακριβώς στο διαφορικό Τόρσεν, όλο το διαφορικό λειτουργεί σ' αυτή την περίπτωση σαν ένα άκαμπτο ενιαίο σύστημα και, μια και οι τροχοί περιστρέφονται και οι δύο με την ίδια ταχύτητα, η ροπή μεταδίδεται κατά το μεγαλύτερο ποσοστό στον τροχό με τη μεγαλύτερη πρόσφυση. Στην περίπτωση κίνησης στη στροφή, οι αντίθετες ροπές που εφαρμόζονται από τους τροχούς στα ημιαξόνια ξεμπλοκάρουν τους μηχανισμούς αντεπιστροφής, επιτρέποντας έτσι στα ημιαξόνια να περιστρέφονται ανεξάρτητα από την κορώνα. Ο κλασικός μηχανισμός του διαφορικού λειτουργεί τότε κανονικά και οι δύο τροχοί περιστρέφονται με διαφορετικές ταχύτητες, ενώ η ροπή μοιράζεται σ' αυτούς εξίσου.
Όλα αυτά δεν είναι απλώς θεωρίες, ο Μαξ Ανρί κατασκεύασε όπως είπαμε ένα πρωτότυπο, χρησιμοποιώντας το σύστημα μετάδοσης ενός Ρενό 4, στο διαφορικό του οποίου τοποθέτησε δύο μηχανισμούς αντεπιστροφής μετάδοσης της κίνησης. Το σύστημα λειτούργησε κανονικότατα σε εργαστηριακές δοκιμές, που έγιναν μπροστά στους ανθρώπους του "Science & Vie".
Το μόνο σημείο που χρειάζεται εξέλιξη, σε περίπτωση που το διαφορικό τοποθετηθεί σ' ένα μεγάλο αυτοκίνητο, είναι τα υλικά και ο τρόπος κατασκευής των μηχανισμών αντεπιστροφής, ώστε ν' αντέχουν στις μεγάλες καταπονήσεις που θα υφίστανται σ' ένα τέτοιο αυτοκίνητο. Πρόβλημα αστείο σχεδόν για ένα οποιοδήποτε σοβαρό και οργανωμένο γραφείο μελετών, που θα μπορούσε να το λύσει μέσα σε λίγους μήνες.
Ποιό είναι το μέλλον λοιπόν του διαφορικού Ανρί; Άγνωστο, αφού ο εφευρέτης του βρέθηκε μπροστά σ' όλες εκείνες τις δυσκολίες που συναντάει κάθε δημιουργός τεχνολογικών καινοτομιών, που βρίσκεται έξω από το «κύκλωμα» των μεγάλων κατασκευαστών. Οι τελευταίοι προτιμούν συχνά να αγνοήσουν μία χρήσιμη εφεύρεση, προκειμένου να διατηρήσουν την πρωτοβουλία της τεχνολογικής εξέλιξης. Δεν πρέπει να ξεχνάμε άλλωστε, πόσα χρόνια πέρασαν για ν' αναγνωριστεί η αξία του διαφορικού Τόρσεν. Σε σχέση με το τελευταίο, το διαφορικό Ανρί έχει πάντως το μεγάλο πλεονέκτημα ότι αλλάζει πολύ λίγο την κατασκευή του διαφορικού από τα κλασικά πρότυπα, δημιουργώντας έτσι πολύ λιγότερα προβλήματα σε περίπτωση υιοθέτησής του από κάποιον ή κάποιους κατασκευαστές αυτοκινήτων μαζικής παραγωγής. Κι έχοντας ταυτόχρονα όλα τα πλεονεκτήματα του Τόρσεν, που λύνουν τόσα προβλήματα και ατέλειες των κλασικών διαφορικών.
Πριν τελειώσουμε, αναφέρουμε απλώς ότι στις σύγχρονες εξελίξεις που αφορούν τα συστήματα μετάδοσης ανήκουν και το επικυκλικό διαφορικό (που χρησιμοποιείται σαν κεντρικό διαφορικό στα συστήματα 4x4) και ο συμπλέκτης συνεκτικής σύζευξης, που έχουν περιγραφεί πριν λίγο καιρό με λεπτομέρειες στις σελίδες των 4Τ (βλ. 4Τ τεύχος 179: Συστήματα 4x4). Μπορούμε εδώ να προσθέσουμε, ότι σε περίπτωση καθιέρωσης των ελεγχόμενων διαφορικών τύπου Τόρσεν ή Ανρί, το μέλλον της συνεκτικής σύζευξης είναι αβέβαιο, αφού η λειτουργία της (αποφυγή του «σπιναρίσματος») καλύπτεται απ' αυτά με μικρότερο βάρος, μικρότερη πολυπλοκότητα και μικρότερο κόστος.
Σαν γενικό συμπέρασμα, μπορούμε να πούμε ότι η εποχή του κλασικού διαφορικού μάλλον πλησιάζει στο τέλος της και μαζί της και ο διαχωρισμός των αυτοκινήτων σε «αυτοκίνητα για τον καθένα» και σε… άλλα, όσον αφορά τη συμπεριφορά στο δρόμο κι έξω απ' αυτόν. Τα νέα διαφορικά, που μπορούν να τοποθετηθούν σε κάθε αυτοκίνητο, και δεν βλέπουμε γιατί να μη γίνει αυτό σύντομα, θα δώσουν τη δυνατότητα άνετης και ασφαλούς κίνησης σε κάθε είδους επιφάνεια. Και σε συνδυασμό με τα συστήματα μετάδοσης και στους 4 τροχούς, μπορούν να δημιουργήσουν μια πραγματική επανάσταση στο επιβατικό αυτοκίνητο, επανάσταση που είχαμε πολλά χρόνια να δούμε. Κι αυτή η ριζική αλλαγή δεν θα αφορά ούτε το κύρος, ούτε την εμφάνιση, ούτε την «εικόνα» του αυτοκινήτου αλλά πρώτα και κύρια τη βασικότερη παράμετρο της ύπαρξής του: την ασφάλεια.