توضیح ضریب دنده و ضریب دیفرانسیل به زبان ساده!

همانطور که می‌دانید هنگام رانندگی با توجه به شرایط موجود، گاهی به سرعت‌های بالاتر و گاهی نیز به قدرت بیشتر نیاز داریم. در این شرایط وظیفه گیربکس خودرو است که از پیشرانه‌ای که دارای دور موتوری محدود است، نسبت‌های مختلفی از سرعت و قدرت‌ را به دیفرانسیل منتقل کند. در اینجاست که با مفاهیم ضریب یا نسبت دنده و همچنین ضریب دیفرانسیل برخورد می‌کنیم. نمی‌خواهیم در این مقاله بحث را خیلی تخصصی کنیم و قصد داریم تا این مفاهیم را با زبان ساده و به دور از اعداد و ارقام توضیح دهیم.

شاید ملموس‌ترین راه برای درک این ضرایب مقایسه آن با دوچرخه‌سواری باشد. همه ما دیده‌ایم هنگام دوچرخه‌سواری وقتی زنجیر در خورشیدهای کوچک‌تر جلو (محرک) قرارگیرد و در قسمت عقب دور خورشیدی‌های بزرگتر باشد رکاب زدن بسیار ساده بوده و در شرایطی که نیاز باشد از سربالایی تیزی بالا برویم این حالت بسیار مفید خواهد بود اما اگر از یک حدی بیشتر رکاب بزنیم سرعت از میزان مشخصی فراتر نرفته و با رکاب زدن بیشتر، فقط شاهد هرزگردی رکاب هستیم (سرعت کم-قدرت زیاد). علاوه بر آن هنگامی که زنجیر  دور خورشیدی‌های بزرگتر جلو و در عقب دور خورشیدی‌های کوچکتر قرار داشته باشد با یک بار رکاب زدن چرخ عقب بیشتر می‌چرخد و رکاب زدن کمی سخت تر است و مناسب برای بالا رفتن از سربالایی‌ها نیست چرا که انرژی زیادی از ما می‌گیرد؛ اما در مسیر‌های با شیب کم می‌توانیم با سرعت زیاد حرکت کنیم (سرعت زیاد-قدرت کم). پس در هر کدام از حالت‌ها ویژگی‌ خاصی دارند که در حالت دیگر ضعیف‌تر است.

در خودرو نیز چنین شرایطی برقرار است، گیربکس دارای مجموعه‌ای از چرخ‌دنده‌ها با سایزهای مختلف است که این چرخ‌دنده‌ها وظیفه انتقال متناسب سرعت‌ها و قدرت‌های مختلفی را دارند. درچنین شرایطی همانند مثال دوچرخه نسبت اندازه این چرخ‌دنده‌ها  بسیار حائز اهمیت است که برای بیان فیزیکی آن از مفهومی به نام نسبت دنده یا ضریب دنده استفاده می‌شود که نشان‌دهنده نسبت اندازه محیط و یا قطر چرخ‌دنده “متحرک به محرک” و یا تعداد دور چرخش “محرک به متحرک” است که در صورت استفاده از هرکدام پاسخ‌ها برابر خواهند بود.

به‌دلیل امکان اشتباه در اندازه‌گیری قطر چرخ‌دنده‌ها، با توجه به یکسان بودن طرح و اندازه دندانه‌های چرخ دنده‌ها راحت‌ترین و دقیق‌ترین راه برای محاسبه این ضریب ، شمارش تعداد دندانه‌های هر چرخ‌دنده و تقسیم آنها است. برای مثال این ضریب برای چرخ‌دنده‌های زیر به شکل زیر محاسبه و نوشته می‌شود:

چرخ‌دنده متحرک دارای 30 دندانه و چرخ‌دنده محرک دارای 20 دندانه است. که از حاصل تقسیم تعداد چرخ دنده های متحرک به محرک، ضریب 1.5 حاصل می‌شود که به صورت 1:1.5 نوشته می‌شود (1 همواره معرف چرخ‌دنده محرک است). البته گاهی برای سادگی از نوشتن 1 صرف نظر می‌کنند و فرضاً فقط عدد 1.5 را می‌نویسند. توجه داریم که ضریب دنده 1.5 یعنی به ازای هر 1.5 دور چرخش چرخ‌دنده محرک، چرخ‌دنده متحرک 1 دور می‌چرخد پس سیستم کاهش سرعت و افزایش قدرت همراه شده است.

به طور کلی:

اگر عدد دوم بزرگتر از یک باشد یعنی دنده باعث افزایش قدرت می‌شود.

اگر عدد دوم برابر با یک باشد یعنی همان قدرت و سرعت موتور منتقل می‌شود.

اگر عدد دوم کوچکتر از یک باشد یعنی دنده باعث افزایش سرعت می‌شود.

پس هرچه ضریب دنده بزرگتر باشد نشان‌دهنده آن است که چرخ‌دنده محرک کوچک‌تر و چرخ‌دنده متحرک (پیرو) بزرگ‌تر است و این یعنی سرعت کمتر و قدرت بیشتر و به هر میزان که ضریب دنده کوچک‌تر باشد این به معنی چرخ‌دنده محرک بزرگ‌تر و چرخ‌دنده متحرک کوچک‌تر به معنی سرعت بیشتر و قدرت کمتر است. به طور شماتیک نحوه تغییر سایز چرخ‌دنده‌ها در هر دنده را مشاهده می‌کنید:

در خودرو ها از دنده یک تا دنده‌های بالاتر  دنده‌ها اصطلاحاً سبک‌تر شده و ضریب دنده درحال کاهش است و در دنده های بالاتر از 4 در اکثر از خودروها این ضریب به کمتر از یک می‌رسد. در اکثر خودروها قوی ترین دنده، دنده عقب است و ضرایب بالاتری دارد.

همانطور که می‌دانید علاوه بر گیربکس در دیفرانسیل هم از چرخ دنده‌هایی برای انتقال نیرو استفاده می‌شود. مطالب گفته شده در بالا در دیفرانسیل نیز صادق است و ضریب دیفرانسیل یا “ضریب نهایی راندن” هم همانند ضریب دنده با استفاده از نسبت چرخش پینیون دیفرانسیل (ورودی یا محرک) به محورهای خودرو (خروجی یا متحرک) و یا تعداد دندانه‌های دو چرخ دنده محاسبه می‌شود.

هرچه ضریب دیفرانسیل بزرگ‌تر باشد عملکرد خودرو به صورت قدرتی‌تر و هرچه ضریب دیفرانسیل کوچکتر  باشد عملکرد آن سرعتی‌تر خواهد بود.

با ضرب ضریب دنده و ضریب دیفرانسیل در هم “ضریب کل نهایی راندن” خودرو بدست می‌آید که البته در این مورد سایز رینگ و لاستیک خودرو نیز تأثیر گذار خواهد بود که در مقالات بعدی به آن پرداخته خواهد شد.