TUNE-IT: ΚΕΦΑΛΑΙΟ 24

Τι κάνει?

Το ενδιαφέρον των εταιρειών για το διαφορικό θυμίζει τον τρόπο με τον οποίο ασχολήθηκαν οι κατασκευαστές με το θέμα της στρεπτικής ακαμψίας του σασί. Υπήρξαν εποχές που όλοι οι εμπλεκόμενοι θεωρούσαν το διαφορικό πολύ καθοριστικό στοιχείο για τις επιδόσεις και άλλες πάλι που πίστευαν ότι δεν συμβάλλει και πολύ σε αυτές. Αναπόφευκτα, όμως -όπως συμβαίνει και με τη στρεπτική ακαμψία- τα χαρακτηριστικά και η συμβολή του διαφορικού στις επιδόσεις έχουν πάντα μεγάλη σημασία.

Αλλά ας ξεκινήσουμε με το τι κάνει το διαφορικό (οι προχωρημένοι πηγαίνετε για βουτιά κι ελάτε αργότερα): όταν το αυτοκίνητο κινείται ευθεία, όλοι οι τροχοί περιστρέφονται με την ίδια ταχύτητα. Όταν, όμως, στρίβει, οι εξωτερικοί τροχοί περιστρέφονται ταχύτερα από τους εσωτερικούς, διότι διαγράφουν κύκλο μεγαλύτερης ακτίνας. Από αυτήν την απλή φράση, γεννιέται η ανάγκη για το διαφορικό, ένα μηχανισμό, δηλαδή, που επιτρέπει στους τροχούς να κινούνται με διαφορετική ταχύτητα όταν χρειάζεται. Όσο πιο φαρδύ είναι το αυτοκίνητο (μεγαλύτερο μετατρόχιο) τόσο μεγαλύτερη είναι η διαφορά ταχύτητας μεταξύ των μέσα και έξω τροχών. Σε «νεκρό» άξονα (που δεν έχει κίνηση, όπως είναι ο πίσω άξονας στα προσθιοκίνητα), η διαφορά ταχυτήτων περιστροφής δεν παίζει κανένα ρόλο, καθότι οι τροχοί δεν συνδέονται, είναι, δηλαδή, ανεξάρτητοι μεταξύ τους. Στον άξονα όμως που σπρώχνει το αυτοκίνητο, αν δεν υπάρχει πρόβλεψη γι’ αυτή τη διαφορική κίνηση, ο μέσα τροχός θα σέρνεται, όπως και να το κάνουμε. Αυτό βέβαια είναι απαράδεκτο από κάθε άποψη άνεσης, ελέγχου, φθοράς και αξιοπιστίας. Γι’ αυτούς τους λόγους, τα αυτοκίνητα είχαν διαφορικό ήδη από τον 19^ο αιώνα.

Γενικά, σε όλα τα διαφορικά, η κινητήρια ροπή ακολουθεί το μονοπάτι που φαίνεται στο σχ. 1: η ροπή μεταδίδεται από το δισκόπλατο στα γρανάζια του σασμάν και από εκεί στο πηνίο και την κορώνα που είναι βιδωμένη στο κέλυφος του διαφορικού. Το κέλυφος αυτό μεταδίδει με τη σειρά του τη ροπή στα γρανάζια του διαφορικού για να φτάσει τελικά στα ημιαξόνια που κινούν τις ρόδες. Η διαδρομή, δηλαδή, της ροπής είναι μοτέρ, δισκόπλατο, σασμάν, πηνίο, κορώνα, κέλυφος διαφορικού, διαφορικό, πλανήτες/δορυφόροι, ημιαξόνια, ρόδες. Το σασμάν δε και το κορωνοπήνιο πολλαπλασιάζουν τη ροπή.

Ανοιχτό διαφορικό

Τα περισσότερα καθημερινά αυτοκίνητα εφοδιάζονται από τον κατασκευαστή με το λεγόμενο ανοιχτό διαφορικό (σχ. 2). Ο μηχανισμός αυτός είναι εξισορροπητικός, στέλνοντας ίση ροπή σε κάθε τροχό και δίνοντας τη δυνατότητα για κίνηση με διαφορετική ταχύτητα του καθενός στις στροφές. Η λειτουργία του φαίνεται στο σχ. 3, όπου κάθε ημιαξόνιο έχει καρέ που εφαρμόζει σε κωνικό γρανάζι. Τα κωνικά αυτά γρανάζια στηρίζονται και κινούνται ελεύθερα μέσα στο κέλυφος του διαφορικού. Ανάμεσα από τα δυο γρανάζια και κάθετα στον άξονά τους, υπάρχει ο άξονας του πηνίου, του οποίου τα δυο άκρα στηρίζονται και αυτά στο κέλυφος. Έτσι, όταν περιστρέφεται το κέλυφος, γυρίζει και ο άξονας ανάμεσα από τα γρανάζια αλλά τα ημιαξόνια δεν κινούνται. Στο σχ. 4 έχουμε προσθέσει άλλα δυο κωνικά γρανάζια που μπορούν να κινούνται ελεύθερα στον άξονα του πηνίου. Τα γρανάζια αυτά είναι σε σύμπλεξη με τα κωνικά των ημιαξονίων -μπλέκει το πράγμα! Όταν τώρα περιστρέφεται το κέλυφος, τα τελευταία γρανάζια υποχρεώνουν τα ημιαξόνια να κινηθούν και αυτά, οπότε το αυτοκίνητο κινείται. Στην ευθεία κίνηση, όπως φαίνεται και στο σχ.5, όλα τα γρανάζια κινούνται μαζί με το κέλυφος σαν ένα σώμα, χωρίς δηλαδή να υπάρχει σχετική κίνηση μεταξύ τους. Τα σημεία 1, 2 και 3 γυρίζουν μαζί. Όταν το αυτοκίνητο αρχίσει να στρίβει (σχ. 6), τα γρανάζια του πηνίου εξακολουθούν βέβαια να γυρίζουν με το κέλυφος. Επειδή, όμως, ο έξω τροχός πρέπει να γυρίσει πιο γρήγορα από τον μέσα, το αντίστοιχο ημιαξόνιο και το γρανάζι του πρέπει να κινηθούν πιο γρήγορα. Τα γρανάζια του πηνίου αρχίζουν να γυρίζουν πλέον στον άξονά τους και αυτή η κίνησή τους αντισταθμίζει τη διαφορά γωνιακής ταχύτητας των ημιαξονίων. Αυτή η διαφορική -και όχι διαφορετική- λειτουργία, αυτορρυθμίζει τέλεια την κίνηση με κάθε ταχύτητα στις στροφές μέχρι όμως να αρχίσει να ολισθαίνει κάποιος τροχός…

  

Όταν ένας τροχός ξεκινά να ολισθαίνει, το κέλυφος του διαφορικού θα συνεχίσει βέβαια να γυρίζει, αλλά αντί να οδηγεί και τα δυο ημιαξόνια, η μεταδιδόμενη ροπή θα εφαρμοστεί όλη στο άκρο που παρουσιάζει τη μικρότερη αντίσταση, δηλαδή τον τροχό που σπινάρει. Στον τροχό που έχει πρόσφυση τίποτε, οπότε και το αυτοκίνητο… κωλώνει, χάνοντας ταχύτητα στη στροφή, ενώ χαζοσπινάρει τον μέσα τροχό. Για τη νορμάλ καθημερινή χρήση το ανοιχτό διαφορικό είναι επαρκέστατο, παρέχοντας αδιάλειπτα ισχύ σε κάθε τροχό και διαφορική λειτουργία όταν χρειάζεται. Όταν όμως η παρεχόμενη ροπή ξεπεράσει τις δυνατότητες πρόσφυσης των ελαστικών ή λόγω της ολισθηρότητας της ασφάλτου (σε ποια χώρα άραγε?) με την εγκάρσια μεταφορά βάρους ή περίσσεια ροπής, όλη η κινητήρια δύναμη θα εφαρμοστεί στον τροχό με τη λιγότερη πρόσφυση. Να, λοιπόν, το σπινάρισμα, μαζί με την απώλεια πρόσφυσης και ελέγχου. Στην περίπτωση καθημερινού οικογενειακού αυτοκινήτου, κάτι τέτοιο προβληματίζει μόνο στη βροχή, στο χιόνι ή στον πάγο.

Ο χαμηλός λόγος βάρους/ισχύος που έχουν τα δυνατά αυτοκίνητα σε συνδυασμό με τη μεγάλη εγκάρσια μεταφορά βάρους στις γρήγορες καμπές ή -γιατί όχι- στην αγωνιστική χρήση, καθιστούν απαράδεκτο το σπινάρισμα και την ακόλουθη απώλεια ταχύτητας. Έτσι, πριν από περίπου 90+ χρόνια (!) τα «κεφάλια» της βιομηχανίας άρχισαν να κατεβάζουν διάφορες ιδέες για το πώς μπορεί να περιοριστεί το ποσοστό της ροπής που χάνεται στον τροχό με τη λιγότερη πρόσφυση. Τα αποτελέσματα των μελετών και οι λύσεις που δόθηκαν λύνουν με διάφορες προσεγγίσεις το πρόβλημα. Εκ προοιμίου, θα πω ότι καμία λύση δεν είναι τέλεια αλλά όλες έχουν τα θετικά και αρνητικά τους σημεία, όπως και θα τα εξετάσουμε.

 

Απαιτήσεις για επιδόσεις

Αυτό που εύκολα συμπεραίνουμε από τα παραπάνω είναι ότι ένα καλό διαφορικό πρέπει να περιορίζει/μηδενίζει την ολίσθηση του εσωτερικού τροχού, ενώ ταυτόχρονα επιτρέπει να λειτουργούν με διαφορετικές ταχύτητες οι τροχοί στις στροφές. Τέτοια καλά διαφορικά υπάρχουν πολλά, όπως είπαμε, και στη γλώσσα μας αποκαλούνται μπλοκέ -αν και αυτός ο όρος τα βάζει όλα στο ίδιο τσουβάλι. Ως προς τον τρόπο που λειτουργούν, τα μπλοκέ μπορούμε να χωρίσουμε σε τρεις κατηγορίες: τα περιορισμένης ολίσθησης, τα εξαρτώμενα ροπής και τα αυτασφαλιζόμενα. Τα πρώτα, όπως άλλωστε λέει και ο όρος, περιορίζουν το σπινάρισμα του χωρίς φορτίο τροχού σε συγκεκριμένα για κάθε τύπο ποσοστά, τα δεύτερα κατανέμουν τη διαθέσιμη ροπή στους τροχούς ανάλογα με την εκάστοτε πρόσφυσή τους και τα τελευταία «κλειδώνουν» μαζί τα ημιαξόνια κατά την επιτάχυνση. Το γενικό αποτέλεσμα είναι ότι, ασχέτως τύπου, όλα δίνουν τη μεγαλύτερη ροπή στον τροχό με την καλύτερη πρόσφυση. Ο λόγος της μέγιστης ροπής που μπορεί να μεταφέρει ένα διαφορικό στον τροχό με τη μεγαλύτερη πρόσφυση και της ροπής που δέχεται ο χωρίς φορτίο τροχός, ονομάζεται λόγος κατανομής (bias ratio) και εκφράζεται σε ποσοστιαίες μονάδες, π.χ. 25% ή αλλιώς 4:1. Αυτό το διαφορικό μπορεί να δώσει τέσσερις φορές περισσότερη ροπή στον τροχό με τη μεγαλύτερη πρόσφυση, σε σχέση με αυτόν χωρίς φορτίο. Τα αυτασφαλιζόμενα που κλειδώνουν τα ημιαξόνια στην επιτάχυνση θεωρούνται ότι έχουν άπειρο ποσοστό -μηδέν σχετική ολίσθηση μεταξύ τους. Να αναφέρω εδώ ότι κατά ένα περίεργο τρόπο, τα ανοιχτά διαφορικά έχουν λόγο πολύ χαμηλό όμως, μέχρι 1,3-1,4:1 που οφείλεται περισσότερο στις εσωτερικές τριβές και όποιες ανοχές τους. Ο βέλτιστος λόγος κατανομής? Δεν είναι εύκολο να προσδιοριστεί, αλλά έχει να κάνει με τη διαθέσιμη ροπή, το σχεδιασμό της ανάρτησης, τα χαρακτηριστικά της γόμας των ελαστικών, την… ακτίνα των στροφών που υπάρχουν (!) κ.λπ. Σε γενικές γραμμές, μεγάλο ποσοστό μπλοκέ στα διαφορικά περιορισμένης ολίσθησης έχει ως αποτέλεσμα ωραίες κωλιές και ζωγραφική στα γκάζια, μεγάλη όμως υποστροφή στο άφημα του γκαζιού και βουρ για τον τοίχο! Για το λόγο αυτό, πολλές ομάδες ρυθμίζουν το ποσοστό εμπλοκής ανάλογα με την πίστα -ναι, γίνεται. Στα εξαρτώμενα ροπής δεν χρειάζεται ρύθμιση, ενώ στα αυτασφαλιζόμενα δεν υπάρχει αυτή η δυνατότητα.

Ανοιχτά διαφορικά σε αγωνιστικά αυτοκίνητα?

Αν υπήρχε κάποιου είδους εγγύηση ότι οι τροχοί δεν θα σπινάρουν, το ανοιχτό διαφορικό έχει αρκετά πλεονεκτήματα έναντι των πιο σοφιστικέ τύπων. Με το ανοιχτό διαφορικό, δεν υπάρχει υποστροφή στην είσοδο της στροφής -που οφείλεται στα λάστιχα. Δεν υπάρχει μετάβαση από την οδήγηση ενός τροχού στους δύο και αντίθετα. Το διαφορικό είναι απλούστατο και δεν θέλει ρυθμίσεις ούτε παθαίνει εύκολα ζημιές. Αν κοπεί το ένα ημιαξόνιο, δεν θα πάτε με τη μούρη στον τοίχο –αλλά ούτε και στα pits θα γυρίσετε οδηγώντας! Ναι, αλλά… ποιος μπορεί να εγγυηθεί ότι δεν υπάρχει σπινάρισμα? Μπορεί να βρέξει ή να είναι βρώμικη η πίστα. Πάντως, ένα καλοσχεδιασμένο σασί δεν πρέπει να έχει πρόβλημα τουλάχιστον να σπινάρει στο στεγνό. Ίσως δεν είναι και πολύ γνωστό, αλλά ακόμα και αρκετά μονοθέσια της F1 είχαν ανοιχτά διαφορικά τις περασμένες δυο δεκαετίες! Όσο για άλλες μορφές αγώνων, όπως τα IndyCars στο Αμέρικα, είναι τόσο μεγάλο το downforce, που σχεδόν αποκλείεται το σπινάρισμα. Ειδικά στις μεγάλες οβάλ πίστες, το ανοιχτό διαφορικό «κλείνει το μάτι» στη σύγχρονη τεχνολογία. Ο παλιός είναι αλλιώς!