چگونه کلاچ‌ها و چرخ‌دنده‌های سیاره‌ای مشکل کم‌فرمانی را در خودروهای اسپرت حل می‌کنند

به محض اینکه راننده فرمان را می‌چرخاند، لاستیک‌های بیرونی باید قوس طولانی‌تری را نسبت به لاستیک‌های داخلی طی کنند. اگر محور عقب آن‌ها را به هم قفل کند، خودرو در برابر پیچیدن مقاومت می‌کند؛ و اگر آن‌ها را کاملاً آزاد بگذارد، نیروی موتور روی چرخ داخلی که بار کمتری روی آن است، به هدر می‌رود.

سرنوشت یک پیچ دقیقاً همین‌جا و در دیفرانسیل رقم می‌خورد، حتی پیش از آنکه شاسی شروع به چرخش کند. برای خریداری که در حال بررسی یک خودروی اسپرت مدرن است، سخت‌افزاری که بین چرخ‌های عقب قرار گرفته، تعیین می‌کند که آیا خودرو در پیچ‌ها دچار کم‌فرمانی شده و به بیرون می‌لغزد، یا با دقت مسیر پیچ را طی می‌کند.

دیفرانسیل‌های آزاد سنتی که از اوایل قرن بیستم روی بیشتر خودروهای شهری نصب می‌شدند، گشتاور را به‌طور مساوی تقسیم می‌کنند. وقتی راننده در خروج از یک پیچ تند گاز می‌دهد، وزن خودرو به چرخ عقبِ بیرونی منتقل می‌شود. در این حالت، چرخ داخلی چسبندگی خود را از دست داده و شروع به هرزگردی می‌کند؛ و از آنجا که یک دیفرانسیل آزاد تنها می‌تواند به اندازه ظرفیت چرخ داخلی به چرخ بیرونی نیرو بفرستد، شتاب‌گیری خودرو مختل می‌شود.[2]

خودروسازان در گذشته این مشکل را با دیفرانسیل‌های لغزش محدود مکانیکی حل می‌کردند. همان‌طور که گروه ریخته‌گری MAT در اسناد فنی خود اشاره می‌کند، این قطعات از مجموعه‌ کلاچ‌های فنردار یا چرخ‌دنده‌های مارپیچ استفاده می‌کنند تا وقتی یک چرخ شروع به لغزش کرد، دو محور را به‌صورت فیزیکی به هم متصل کنند.

اگرچه این دیفرانسیل‌ها برای حفظ شتاب رو به جلو موثرند، اما عملکردی واکنشی دارند. یعنی برای فعال شدن نیاز به هرزگردی چرخ دارند و قفل شدن محور عقب نیز ذاتاً دماغه خودرو را به سمت جلو هل می‌دهد؛ پدیده‌ای که به عنوان کم‌فرمانی شناخته می‌شود.[2]

دیفرانسیل‌های فعال با توزیع گشتاور این رویه را کاملاً تغییر می‌دهند. این سیستم‌ها به جای اینکه منتظر لغزش چرخ بمانند، با استفاده از کلاچ‌های کنترل‌شونده الکترونیکی و چرخ‌دنده‌های سیاره‌ای، نیرو را به‌طور پیشگیرانه به چرخ بیرونی می‌فرستند. رسانه PistonHeads در تحلیل فنی سال ۲۰۱۸ خود توضیح می‌دهد: «توزیع گشتاور یعنی توانایی تغییر نیروی ارسالی به هر نیم‌محور.» دیفرانسیل با انتقال نیروی بیشتر به چرخ بیرونی، یک گشتاور چرخشی ایجاد می‌کند؛ نیرویی که پیش از از دست رفتن چسبندگی لاستیک‌های جلو، خودرو را به‌صورت فیزیکی به داخل پیچ هدایت می‌کند.[1][6]

معماری این سیستم بر پایه چرخ‌دنده‌های سیاره‌ای استوار است که در دو طرف هوزینگ یک دیفرانسیل سنتی نصب شده‌اند. شرکت MathWorks در مدل‌سازی چرخ‌دنده‌های دیفرانسیل فعال خود به این پیکربندی اشاره کرده و توضیح می‌دهد که این سیستم از یک موتور الکتریکی یا عملگر هیدرولیکی برای اعمال فشار به یک کلاچ چندصفحه‌ای استفاده می‌کند. وقتی کلاچ درگیر می‌شود، شفت محور را به چرخ‌دنده سیاره‌ای متصل می‌کند که باعث می‌شود چرخ بیرونی تا ۱۰ درصد سریع‌تر از خود هوزینگ دیفرانسیل بچرخد.[4]

این سخت‌افزار توسط شبکه‌ای از سنسورها کنترل می‌شود که زاویه فرمان، موقعیت پدال گاز، شتاب جانبی و سرعت چرخ‌ها را تا ۱۰۰ بار در ثانیه بررسی می‌کنند. حتی پیش از آنکه راننده به نقطه اوج پیچ برسد، واحد کنترل الکترونیکی خودرو بهترین حالت توزیع گشتاور را محاسبه می‌کند. اگر سنسورها شروع کم‌فرمانی را تشخیص دهند، کامپیوتر کلاچ بیرونی را درگیر کرده و فوراً تا ۱۰۰ درصد از گشتاور در دسترس محور عقب را به لاستیک بیرونی که تحت فشار است، منتقل می‌کند.[1][7]

تحلیل مهندسی مجله Autocar در سال ۲۰۱۹، تاثیر شگرف این توزیع پیشگیرانه را برجسته می‌کند. این نشریه می‌نویسد: «نتیجه این کار، چرخش خودرو حول محور عمودی خود است که به پیچیدن آن کمک می‌کند.» این مکانیزم به یک سدان لوکس، سنگین و موتور جلو اجازه می‌دهد تا چابکی یک خودروی اسپرت کوچک و موتور وسط را از خود نشان دهد. برای خریداری که بین یک خودروی گرند تورر ۴۵۰۰ پوندی و یک کوپه اسپرت مردد است، وجود یک دیفرانسیل فعال معمولاً این تفاوت در هندلینگ را جبران می‌کند.[5]

خودروسازان معمولاً عبارت «توزیع گشتاور» را برای مدل‌های پایه خود نیز تبلیغ می‌کنند، اما خریداران باید تفاوت بین دیفرانسیل‌های فعال و سیستم‌های مبتنی بر ترمز را بدانند. همان‌طور که Carwow در سال ۲۰۲۲ توضیح داد، سیستم‌های توزیع گشتاور مبتنی بر ترمز، صرفاً لنت ترمز را روی چرخ داخلی که در حال هرزگردی است درگیر می‌کنند تا دیفرانسیل آزاد مجبور شود نیرو را به سمت دیگر محور بفرستد. اگرچه این کار حس چرخش را شبیه‌سازی می‌کند، اما باعث مصرف لنت ترمز، تولید گرمای اضافی و در نهایت کند شدن خودرو می‌شود.[3]

توزیع گشتاور مکانیکی واقعی نیازمند سخت‌افزاری سنگین و گران‌قیمت است. یک دیفرانسیل عقب فعال و مدرن می‌تواند بیش از ۸۰ پوند به وزن خودرو و هزاران دلار به قیمت نهایی آن اضافه کند. به همین دلیل است که این فناوری همچنان به خودروهای لوکس و اسپرتِ حاشیه‌سود بالا و خودروهای الکتریکی سنگین محدود مانده است؛ جایی که وزن زیاد پکیج باتری‌ها، کنترل مکانیکی انحراف خودرو را از یک آپشن لوکس به یک ضرورت تبدیل می‌کند.[7]

گذار به معماری‌های الکتریکی در حال حاضر نحوه انتقال این گشتاور را تغییر داده است. در حالی که خودروهای احتراقی برای انتقال نیرو از یک میل‌گاردان به چرخ‌دنده‌های سیاره‌ای پیچیده وابسته‌اند، محورهای الکتریکی دو موتوره همین نتیجه را صرفاً با دستور دادن به موتور بیرونی برای چرخش سریع‌تر به دست می‌آورند. این رویکرد نرم‌افزارمحور، کلاچ‌های سنگین را به‌طور کامل حذف می‌کند، هرچند برای جلوگیری از ایجاد حس غیرطبیعی در هندلینگ، به کالیبراسیون بسیار دقیقی نیاز دارد.[6][7]

برای مالکی که پشت فرمان نشسته، حس یک دیفرانسیل فعال کاملاً متمایز است. به جای اینکه فرمان سفت شود و لاستیک‌های جلو با کم‌فرمانی روی آسفالت کشیده شوند، احساس می‌کنید خودرو توسط یک طناب نامرئی به داخل پیچ کشیده می‌شود. هرچه راننده پدال گاز را بیشتر فشار دهد، خودرو تندتر می‌پیچد؛ واکنشی برخلاف انتظار که نیازمند تغییر عادات رانندگی است که طی دهه‌ها شکل گرفته‌اند.[1]

از دیدگاه مالکیت و نگهداری، دیفرانسیل‌های فعال نیازمندی‌های جدیدی را به همراه دارند. روغن‌های هیدرولیک و اصلاح‌کننده‌های اصطکاک که به کلاچ‌ها اجازه می‌دهند به نرمی بلغزند، به مرور زمان کیفیت خود را از دست می‌دهند. خودروسازان معمولاً تعویض روغن دیفرانسیل را هر ۳۰ هزار تا ۴۰ هزار مایل الزامی می‌دانند. بی‌توجهی به این سرویس باعث لرزش کلاچ می‌شود؛ لرزشی فیزیکی که در مانورهای تنگ و با سرعت پایین مانند پارک کردن، در کل شاسی احساس می‌شود.[7]

با وجود تمام این قابلیت‌ها، دیفرانسیل‌های فعال نمی‌توانند در جایی که چسبندگی وجود ندارد، معجزه کنند. اگر لاستیک بیرونی از حداکثر زاویه لغزش خود عبور کند، ارسال گشتاور بیشتر صرفاً باعث از بین رفتن کامل چسبندگی و در نتیجه بیش‌فرمانی ناگهانی می‌شود. این سیستم کاملاً به چسبندگی مکانیکیِ ترکیب لاستیک و سطح جاده وابسته است و تنها به عنوان یک ضریب‌افزاینده برای چسبندگیِ موجود عمل می‌کند.[5][7]

تکامل بعدی این سخت‌افزار بر یکپارچگی با سیستم‌های تعلیق فعال و فرمان‌پذیری چرخ‌های عقب تمرکز دارد. مهندسان با شبکه‌سازی دیفرانسیل و کمک‌فنرهای تطبیقی، می‌توانند دقیقاً در لحظه‌ای که دیفرانسیل بیشترین گشتاور را به چرخ بیرونی می‌فرستد، بار عمودی روی آن لاستیک را به‌طور دینامیکی افزایش دهند. برای خریدارانی که در بازار فعلی خودروهای اسپرت جستجو می‌کنند، بررسی اینکه آیا خودرو از توزیع گشتاور واقعی با چرخ‌دنده سیاره‌ای استفاده می‌کند یا یک شبیه‌ساز مبتنی بر ترمز، حیاتی‌ترین گام در ارزیابی ادعاهای مربوط به هندلینگ آن است.[7]