Diferansiyel Nasıl Çalışır? Diferansiyelin Çalışma Prensibi Nedir? Tork Nasıl İletilir?




 

Diferansiyel Nasıl Çalışır? Diferansiyelin Çalışma Prensibi Nedir? Tork Nasıl İletilir?


Şanzımandan çıkan hareket, pinyon (mahruti) dişli üzerinden ayna dişliye aktarılır. Ayna dişli, diferansiyel gövdesine yataklanmış haldedir ve dişli kafesi ile tek parça halindedir, dönüş hareketini dişli kafesine iletir. Hareket, dişli kafesine yataklanmış halde bulunan istavroz dişliye aktarılır, istavroz dişli ise bu dönüş hareketini aks dişlilerine iletir. Aks dişlileri aks milleriyle tek parça halindedir ve aks milinin dönmesiyle hareket tekerleklere iletilir.
Burada en önemli görevi, iki aks dişlisi arasında çalışan istavroz dişli yapmaktadır. İstavroz dişli hareketi aks dişlilerine iletirken, iki aks dişlisinin (yani iki tekerin) farklı hızlarda dönebilmelerine de imkan verir. Bu sayede savrulmadan, tekerlekler kaymadan virajların dönülmesi mümkün olur. Bu bakımdan istavroz dişlisi bir dengeleme dişlisidir.

Öncelikle (Bakınız: Diferansiyel Nedir? Çeşitleri-Yapısı-Özellikleri)
Ana Konu: Araç Çekiş Sistemleri - Aktarma Organları ve Tork Dağılımı 

Klasik bir diferansiyel (açık diferansiyel), motordan aldığı çekiş kuvvetini (tork) her zaman eşit miktarda olacak şekilde yarı yarıya sağ ve sol aks millerine iletir (düz sürüşte de, virajda sağ ve sol tekerlekler farklı hızda dönüyorken de tork eşit dağıtılır) . Bununla beraber diferansiyel, motordan aldığı dönüş hızını (deviri) farklı miktarlarda tekerleklere iletir. Varlık sebebi her iki tekerleğin farklı hızlarda dönebilmelerini sağlamak olan diferansiyel, bu işlevi her iki aks dişlisinin arasında bağımsız olarak çalışan (dönebilen) istavroz dişli sayesinde yapar.


  
Araç viraj dönüyorken veya engebeli yollarda ilerliyorken, tahrik tekerlekleri farklı uzunluktaki yolu almak zorunda, yani farklı hızlarda dönmek zorundadırlar. Örneğin sağa dönüşte, sağ tekerlek virajın iç kısmında kalacağından, daha kısa bir yol izleyerek dönecektir; bu sırada virajın dışında kalan tekerlek ise daha uzun bir yolu izlemek zorundadır. Aynı anda farklı uzunluktaki yolu kat eden iki tekerlek, farklı hızlarda dönmek zorundadır. Diferansiyel bu hız farkının oluşmasını sağlar.

Diferansiyel, motordan gelen çekiş kuvvetini (tork), iki tekere her zaman eşit miktarda iletilir.
Diferansiyelin çalışmasında iki temel değişken (parametre) vardır; çekiş kuvvetinin aktarılması ve dağıtılması, devir hızının aktarılması ve dağıtılması.

Diferansiyelin çalışma prensibinini daha iyi anlaşılabilmesi için,
*Düz yol sürüşünde,
*Viraj Dönüşünde,
*Patinaj Sırasında
Olmak üzere 3 temel durumda nasıl çalıştığı aşağıda detaylı olarak anlatılmıştır.


  
DİFERANSİYELİN ÇALIŞMASI – SON DİŞLİ ORANI – TORK VE DEVİR AKIŞI

Diferansiyelde Tork ve Hızın (devir) Değiştirilmesi – (Son Dişli Oranı)(Düz Sürüş)

Motorda üretilen devir sayısı ve tork, vites kutusunda sürücünün seçimine göre değiştirilir; tork azaltılp devir arttırılabilir veya devir azaltılıp tork arttırılabilir. Bu ayarlamadan sonra, motorun tork ve devir değerleri, son bir kez daha diferansiyelde değiştirilir. Diferansiyeldeki bu değişim sabittir, yani miktarı ayarlanamaz, buna son dişli oranı denir.



Diferansiyelde, ayna dişliye hareket veren mahruti dişli (pinyon dişli) ile ayna dişli arasında bir dişli oranı oluşur. Döndüren mahruti dişli küçük, döndürülen ayna dişli ise daha büyüktür, yani küçük dişlinin büyük dişliyi döndürmesi söz konusudur. Binek araçlarda diferansiyeldeki bu dişli oranı yaklaşık i=3’tür. Diferansiyeldeki bu son dişli oranı sayesinde, devir azalır ve tork (çekiş kuvveti) artar. Yani, şaft mili 3000 devirle dönüyorsa, ayna dişli 1000 dev/dk hızla dönecektir, sol ve sağ aks milleri de 1000 devirlik bir hızla dönecektir (araç düz gidiyorken).

Düz sürüşte:
Ayna dişli devir sayısı = (Sağ aks devir hızı + sol aks devir hızı) / 2

Formülü geçerlidir.


(Düz sürüşte diferansiyelin çalışması ve hız-tork dağılımı)

Şaft milinde 300 NewtonMetre’lik bir tork olsun, bu tork diferansiyelde 3 katına çıkarılır (i:3) ve 900Nm’lik bir tork (çekiş kuvveti) elde edilir. Diferansiyel, araç düz bir şekilde ilerliyorken, yani sağ ve sol tekerin hızları eşitken, bu torku yarı yarıya bölerek iletir, böylece çekiş kuvveti 450Nm sol aks, 450Nm sağ aks olmak üzere eşit bir şekilde dağıtılır.

Diferansiyeldeki bu son dişli oranı, kamyon gibi ağır taşıtlarda çekiş kuvvetini (tork) arttırmak için, daha büyük (3’ten büyük) olabilir.

Sonradan sürücü tarafından ayarlanamayan diferansiyel dişli oranını değiştirmek, ancak diferansiyelin başka bir diferansiyelle değiştirilmesiyle mümkün olur. Aracın maksimum (son) hızını arttırmak için, diferansiyeldeki son dişli oranını azaltmak gerekir, örneğin: i=2,7 veya 2,5 gibi. Bu durumda aynı motor devrinde, tekerlekler daha hızlı dönecektir, fakat aracın çekişi (tork) azalacaktır, bu sebeple bu işlemi yapmanın mantıklı olması için motorun torkunun çok iyi değerlerde olması gerekir.



Araç düz yolda gidiyorken hareket ayna dişliye, ayna dişliden dişli kafesine (gövdeye), dişli kafesinden istavroz dişliye, istavroz dişlisinden aks dişlilerine, oradan da aks millerline ve tekerleklere aktarılır. Düz sürüşte her iki aks mili de eşit hızda döndüğünden, istavroz dişlisi aks dişlileri üzerinde yuvarlanmaz, yani kendi ekseni etrafında dönmez, dişli gövdesiyle beraber ayna dişliyle birlikte döner, böylece hareketi her iki aks dişlisine de eşit olarak aktarır. Bu durumda istavroz dişli, iki aks dişlisinin arasında sabit duran bir bağlantı elemanı gibi çalışır. Araç dönüş yaptığında bu durum aşağıda izah edildiği gibi değişecektir.


Virajlarda Diferansiyelin Çalışması - Dönüşlerde Tork ve Hızın Aktarılması

Araç yol alırken bir viraj dönüyorsa, bu durumda aracın dört tekeri de farklı bir yol izleyerek ilerleyecek ve farklı hızlarda dönecektir. Örneğin araç sola doğru bir virajı dönüyor olsun, bu durumda tekerleklerin dönüş hızları en hızlıdan en yavaşa olacak şekilde sıralanırsa; Sağ ön tekerlek en hızlı, daha sonra sağ arka teker, sol ön teker ve sol arka teker şeklindedir. Dönüşlerde virajın dışında kalan tekerlek, içinde kalan tekerleğe göre daha uzun bir yolu aynı sürede almak zorundadır, bu sebeple dıştaki tekerlek daha hızlı döner. Virajda sağ ve sol tekerlekler farklı hızda dönüyorken de tork, her iki aksta eşittir. Sağ ve sol tekerin ortalama hızları, ayna dişlinin dönüş hızına eşittir.



Görüldüğü gibi dönüş sırasında, eşit zamanda virajın dış tarafında kalan tekerlek daha hızlı, iç tarafında kalan tekerlek daha yavaş dönmek zorundadır, aksi taktirde lastikler kayacak, yol tutuşu kaybolacak ve güvenli sürüş imkansız hale gelecektir. Eğer diferansiyel olmasaydı ve her iki tekerlek de bir tane aks mili ile birbirine bağlı olsaydı, durum böyle olurdu.

Araç sola dönüş yaparak ilerliyor olsun. Dönüş anında, içteki tekerlek yani sol aks mili; dıştaki tekerlek yani sağ aks milinden daha yavaş döner. Sol ve sağ aks millerine bağlı olan aks dişlileri arasında, istavroz dişlisi vardır. Sağ ve sol aks dişlilerinin farklı hızlarda dönmelerini, istavroz dişlisi sağlar. Bu örnekte sol aks dişlisi daha yavaş, sağ aks dişlisi daha hızlı döndüğünde, istavroz dişlisi bu devir farkını dengeleyebilmek için sol (yavaş olan) aks dişlisi üzerinde yuvarlanır, yani istavroz dişlisi kendi ekseni etrafında da dönmeye başlar. Böylece her iki aks mili farklı hızlarda dönebilir.

Tek Teker Patinaj Yapıyorken Diferansiyelin Çalışması – Patinajda Tork ve Hızın Akışı

Açık diferansiyelde (kilitli olmayan diferansiyelde) Tekerleklerden biri çamura  saplandığında veya buz üzerine geldiğinde veya tekerleklerden biri havaya kaldırıldığında; diferansiyelin çalışma prensibinden dolayı çekiş kuvveti (tork), kuru ve zemine basan tekerleğe aktarılamaz ve araç ileri hareket edemez. Yine bu şartlarda çamurda-buzda veya havaya kaldırılmış olan tekerleğin dönüş hızı, iki katına çıkacaktır, çünkü diğer tekerlek duruyor-dönmüyordur. Motordan gelen tork, yere tutunan yani bir sürtünme kuvvetiyle (lastik-yol) karşı dirence maruz kalan tekerleğe iletilemez; bunun yerine çok düşük sürtünmeden dolayı çok az karşı direnç oluşturan tekerlekte, devir sayısına dönüşür.

Örneğin bir teker havaya kaldırıldığında, sağ ve sol aks millerindeki tork neredeyse sıfır olacaktır, çünkü havada olan tekere neredeyse hiç tepki kuvveti yoktur, aktarılan tork ise en az tepki kuvveti üreten tekerinkine göre belirlenir.


 


Patinaj yapan tekerlek düşük sürtünmeden dolayı karşı direnç oluşturamayıp, torku (çekiş kuvvetini) yola aktaramadığı için, ve açık diferansiyelde sağ ve sol aksa iletilen tork HER ZAMAN EŞİT olduğu için, bu sebeple duran (yola tutunan) tekerleğe  çok az tork aktarılabileceği için, bu torkun da aracı itmeye yetmeyeceği için, araç hareket edemez.
Patinaj sırasında tekerleklerden yola aktarılabilen maksimum tork (çekiş kuvveti) miktarını, yoldan tekerleklere en düşük karşı kuvveti uygulayan tekerlek belirler, yani patinaj yapan tekerlek belirler. Patinaj yapan tekerlek ise zaten sürtünme kuvvetinin az olmasından dolayı patinaj yapıyor, karşı kuvvet uygulayamıyordur.

Standart bir diferansiyel ve 2 tekerden çekiş söz konusu olduğunda, hareket aktarımı bazı temel ilkelere göre gerçekleşir:

*Standart bir diferansiyel, vites kutusundan gelen deviri (hızı) farklı miktarlarda tekerleklere iletir. Her iki tekerlek farklı hızlarda dönebilir.

*Standart bir diferansiyel, vites kutusundan gelen torku (döndürme kuvvetini), her iki tekerleğe EŞİT miktarda dağıtır.

*Standart bir diferansiyelin olduğu sistemde, tekerleğin biri çamurda ve diğeri kuru zeminde olsun, farklı sürtünme kuvvetine maruz kalan tekerleklerden biri patinaj yaptığında, diğer tekerlek duruyordur, bu durumda diferansiyeldeki istavroz dişli kendi ekseni etrafında dönmeye başlar, yani duran tekerleğin aks milinin dişlisi üzerinde yuvarlanmaya başlar, bu sebeple dönen tekerleğin dönüş hızı artar. Tork; devire dönüşmektedir.

*Tekerleklerden biri patinaj yaptığında ve diğeri kuru zeminde duruyorken, ayna dişlideki tork, patinaj yapan tekerleğin aks dişlisinde devir hızına dönüşür. Yani devir artarken tork azalır.

*Standart bir diferansiyelde, sağ ve sol aks millerindeki tork miktarı, her zaman eşit olmak zorundadır.

*Standart bir diferansiyelin olduğu sistemde, tekerleğin biri çamurda ve diğeri kuru zeminde olsun, farklı sürtünme kuvvetine maruz kalan tekerleklerden biri patinaj yaptığında, aks millerindeki maksimum tork; patinaj yapan tekerlekte oluşan (küçük) sürtünme kuvvetine bağlıdır. Yani tekerin biri patinaj yaptığında, sürtünme kuvveti azalır, sürtünme kuvveti azalınca patinaj yapan tekerleğe aktarılan tork azalır. Patinaj yapan tekerleğin aks milindeki tork, diğer tekerleğin aks milindeki torka eşit olmak zorunda olduğuna göre; kuru zemindeki tekerleğe aktarılabilen tork da aynı şekilde azalır. Bu durumda, tekerin birinin kuru zeminde olmasının hiçbir faydası olmaz, çünkü o tekere de patinaj yapan tekere olduğu gibi çok az tork aktarılır, bu tork (çekiş kuvveti) aracı hareket ettirmeye yetmez. Bu durumdan kurtulmak için; kilitli diferansiyel veya ASR sistemi kullanılır.

Kilitli diferansiyel sisteminde, sağ ve sol aks milleri birbirine kilitlenerek (bağlanarak) sabit bir bağlantı oluşur. Bu durumda her iki aks milinin de devir hızları eşit olur. Böylece tekerin biri patinaj yapacak olsa bile, diğeri de aynı hızda döneceğinden, tork kaybolmaz ve kuru zemindeki tekerlek aynı hızda dönerek aracın hareket etmesini sağlar.

ASR (patinaj önleme) sistemiyle, tek tekerin patinaja girmesi sebebiyle aracın hareket edemez halden kurtulması sağlanır. ASR sisteminde, patinaj yapan tekerleğin kaliperiyle bir frenleme kuvveti uygulanır (burada abs beyni de işin içindedir), frenleme uygulanan tekerlekte dönmeye karşı ilave bir direnç torku oluşur ve yavaşlar. Bu sayede sağ ve sol tekerlekler arasındaki hız farkı azalır, F sürtünme kuvveti (yani sürtünme torku) arttığı için, dönen tekerleğin tahrik torku da artar, tork her iki aks milinde eşit olduğuna göre, duran tekerleğin aks milinin tahrik torku da artar ve tekerlek dönmeye başlar, araç hareket eder.

Eğer her iki çekiş tekerleği de buzlu zeminde olsaydı, ikisi de patinaj yapacaktı, çünkü vites kutusundan gelen tahrik torku, tekerleklerin zeminle olan sürtünme kuvvetinden daha büyük olacaktı. Bu durumda araç hareket etmeyecektir. Bu durumun çözümü ise 4 tekerden çekiş sistemidir, örneğin ön 2 veya arka 2 tekerlek pantiaja başladığında, tork diğer iki tekerleğe yönlendirilerek aracın hareket etmesi sağlanır.


Çekiş Kuvvetinin Yola Aktarılması ve Aracın İlerlemesi

Otomotivde hareketin (ilerlemenin) oluşabilmesi için, tekerlekteki hareketin yola aktarılması gerekir. Tekerlekteki hareketin yola aktarılmasını sağlayan tek şey “SÜRTÜNME KUVVETİ” dir.


 

Aracın ilerleyebilmesi için, direnç kuvvetini yenmesi gerekir.

Direnç kuvvetleri: aracın kütlesi, lastiklerin yuvarlanma direnci, yokuş çıkma durumu, rüzgar vb. etkenlerden oluşur.


Yani motorda üretilen aktarma organlarında düzenlenen tork (çekiş kuvveti), aracın ağırlığı ve yokuş çıkma durumlarında oluşan, harekete ters yönde etki eden “direnç kuvveti”nden büyük değilse, o araç hareket edemez.

Çekiş kuvveti, direnç kuvvetinden büyükse, araç hareket edebilir fakat, bu bir şarta bağlıdır; SÜRTÜNME KUVVETİ. Aracın hareket edebilmesi için çekiş kuvvetinin, lastik-yol arasındaki “sürtünme kuvveti”nden küçük olması gerekir.

Aks milindeki tork (çekiş kuvveti), sürtünme kuvvetinin oluşturduğu karşı yönlü torkdan (sürtünme torkundan) büyük olamaz. Eğer büyük olursa, araç patinaj yapar.
Aks milindeki tork, direnç kuvvetinden de küçük olamaz, öyle olursa araç hareket etmez. Bu durumda motordan gelen tork, iki faktör tarafından sınırlanıyor.

Demek ki aracın hareket edebilmesi için, motordan gelen çekiş kuvveti (tork), direnç kuvvetinden büyük, sürtünme kuvvetinden küçük olması gerekir.

Yani: 
F (direnç kuvveti) < F (çekiş-tahrik kuvveti) < F (sürtünme kuvveti)  
şartı sağlanması gerekir.

Bir kamyona aşırı miktarda yük yüklenmiş olsun, yük arttığında lastik ve yol arasındaki sürtünme kuvveti de artar, yani lastik yola çok iyi tutunur. Sürtünme kuvveti (kuru asfalt)  çok fazla olduğuna göre, motordan gelen tork asla kamyonun tekerinin patinaj yapmasına sebep olmaz, çünkü lastik ve yol arasındaki “sürtünme kuvveti”nden büyük olamaz.


Neden buzlu-karlı yolda ikinci vitesle araç kullanılır ?

Bu kamyon yoluna devam etsin ve buzlu bir yokuşa gelsin, bu durumda büyük yüküne rağmen yine de patinaj yapabilir, çünkü buzlu zemin sebebiyle “sürtünme kuvveti” azalmıştır. Çekiş kuvveti aynı olmasına rağmen sürtünme kuvveti azaldığından, çekiş kuvveti; sürtünme kuvvetini geçtiğinden, tekerlek patinaj yapacaktır. Buzlu-karlı yolda daha yüksek vitesle (örneğin 2-3. Vitesle) aracın patinajdan kurtarılması, burada gizlidir. 2. Viteste tork (çekiş kuvveti) 1. Vitese göre daha azdır ve aks millerinden tekerleklere iletilen çekiş kuvveti azaltılacağından, çekiş kuvvetinin sürtünme kuvvetinden aşağı düşmesi sağlanırsa, araç yola devam edebilir. Tabi ki çekiş kuvveti, direnç (yük-yokuş) kuvvetinden de büyük olması gerekir, bu hassas dengeyi tutturmak biraz zordur.

ASR anti patinaj sistemin de temel mantığı burada saklıdır. Tekerlek patinaja başladığında, sürtünme kuvveti azalmış durumdadır, sürücü ise gaza basarak çok fazla çekiş kuvvetini tekerleğe göndermektedir,  bu durumda o tekerleğe bir miktar frenleme uygulanarak, tekerleğin zemine etki ettirdiği çekiş kuvvetini azaltır, böylece çekiş kuvveti; sürtünme kuvvetinin altına düşer ve araç ilerleyebilir.

Yani yine bu şart sağlanmış olur: 
F (direnç kuvveti) < F (çekiş-tahrik kuvveti) < F (sürtünme kuvveti) 

Yorumlar