טכנולוגיה בשטח: חשבון דיפרנציאלי ותפילת נעילה

סטילס: רמי גלבוע, יצרן

לאחר שדיברנו על מערכת המתלים, הגיע הזמן לראות כיצד ניתן להתגבר על מגבלות מהלך המתלים; אנו מתייחסים למצב בו מהלך המתלה אינו מספיק כדי להבטיח קשר הדוק של הצמיג עם הקרקע, ואז מגיע אובדן אחיזה ובעקבותיו – עצירת התקדמות. המפתח להמשך ההתקדמות היא העובדה שבדרך כלל, כאשר שני צמיגים מאבדים אחיזה, שני האחרים אוחזים היטב בקרקע. כתבתי 'בדרך כלל' מכיוון שבמקרה של קרקע חלקה וטובענית מאוד,( חול עמוק או בוץ למשל), גם שני צמיגים לא יכולים להבטיח אחיזה והתקדמות.

כולנו יודעים על קיומו של מכלול מסתורי בשם דיפרנציאל (מלשון Different), בכל רכב מודרני האמור לנוע על הכביש. הצורך בדיפרנציאל נובע מהעובדה שבזמן פנייה, כל אחד מארבעת גלגלינו עושה מרחק אחר: הגלגלים החיצוניים עושים דרך ארוכה יותר מזו שעושים הפנימיים, הקדמיים מתגלגלים מהר יותר מהאחוריים. הדיפרנציאל יודע להעביר מידה שו?נ?ה של כוח לכל גלגל, בהתאם למתבקש מרדיוס הסיבוב: אם, למשל, הטנדר שבתמונה מתקדם במהירות 6 קמ"ש ומתחיל לפנות שמאלה, הרי הגלגל האחורי-ימני צריך לנוע - פחות או יותר, אל תתפסו אותי במילה - במהירות 8 קמ"ש, והאחורי-שמאלי ב-4 קמ"ש. הגלגל הקדמי-ימני צריך להתקדם במהירות 9 קמ"ש, והקדמי-שמאלי יסתפק, נגיד, ב-5 קמ"ש... מספרים אלה תלויים במידות הרכב וברדיוס הסיבוב.

הפרשי המהירות בין הגלגלים השונים אינם מפריעים בזמן נהיגת שטח, מכיוון שהצמיגים מסוגלים להחליק על פני קרקע נמוכת אחיזה (דיונה רטובה, בדוגמא המצולמת). אבל על גבי אספלט בעל אחיזה גבוהה נוצרים עומסים גדולים על הצמיגים והמכלולים המכניים: אם גלגל אחד צריך להסתובב מהר יותר מהשני, מופעל עומס מכאני שבסופו של דבר, ישבור משהו – מכלול הנעה, צירייה, צמיגים יישחקו.

כדי לאפשר לכל גלגל להסתובב במהירות המתאימה לו,הומצא הדיפרנציאל. באופן מסורתי הייתי אמור לבלבל לכם עכשיו את המוח עם קו?רו?נ?ה-פ?יניו?ן וס?ט?ל?יט?ים, ספירת שיניים ושאר הסברים טרחניים.אבל היום ארשה לעצמי לדלג בעליזות על פני הקטע המשמים, ואסתפק בציון העובדה כי הדיפרנציאל בנוי מערב-רב של גלגלי שיניים, המשכילים לזהות איזה גלגל מסתובב מהר יותר, ולשלוח אליו יותר כוח.

במכונית כביש רגילה (4X2) נחוץ רק דיפרנציאל אחד, בין שני הגלגלים המניעים (בדרך כלל, הקדמיים). רכב שטח בעל הנעת '4X4 זמני' (טנדר, רנגלר, רקסטון) מצויד בשני דיפרנציאלים רוחביים, האחד במרכז הסרן האחורי, השני בין הגלגלים הקדמיים. רכבי שטח מודרניים בעלי '4X4 קבוע' (לנד קרוזר, לנד רובר, גרנד צ'ירוקי) מתהדרים בדיפרנציאל שלישי, מרכזי-אורכי, המאפשר הפרש מהירויות גם בין הגלגלים הקדמיים לאחוריים. בעזרת הדיפרנציאלים אנו מתגלגלים לנו על הכביש הסלול, נטולי מודעות למהומה המכנית המתרחשת מתחת לרגלינו – בבלימה ובתאוצה, עדרי סוסים משוגרים לפינות שונות של הרכב, ומאפשרים נסיעה יציבה ונטולת משברים מכניים. הדיפרנציאלים מחלקים את כוח המנוע בפרופורציות משתנות, על פי מהירות הנסיעה ורדיוס הפניות שאנו מבצעים.

הבעיה מתחילה כאשר הפרש המהירויות בין הגלגלים אינו נובע מפנייה הדוקה, אלא מאובדן אחיזה בשטח (וגם בנהיגת כביש ספורטיבית, עליה לא נדבר היום). כאשר, למשל, גלגל קדמי-ימני מאבד אחיזה עם פני השטח, הוא מתחיל להסתובב מהר יותר מהקדמי-שמאלי; בגלל הפרש המהירויות חושב הדיפרנציאל הנבער שהרכב פונה שמאלה, ואז הוא מעביר עוד יותר כוח לצד ימין, ומפחית את העברת הכוח אל הגלגל הקדמי-שמאלי שדווקא מסוגל להעביר את כוח המנוע לקרקע... לעתים קרובות מלווה מצב כזה גם באובדן אחיזה של הגלגל האחורי-שמאלי, ואז אנו ב"הצלבת-סרנים" קלסית, בה מנותב כוח המנוע אל שני הגלגלים מחוסרי האחיזה. במקרה הטוב נעצרת התקדמות הרכב; במקרה הרע ייתן הנהג גז גדול, יטגן את הצמיג ויגזור צירייה.

כדי למנוע את הקטסטרופה, עלינו לכפות על שני הגלגלים (או על שני הסרנים) מהירות סיבוב אחידה; את זה נוכל לעשות על ידי נטרול זמני של פעולת הדיפרנציאל = 'נעילה' של שתי הציריות היוצאות מהדיפרנציאל אל הגלגלים. הגלגל שאיבד אחיזה יישאר חסר תועלת, זה נכון, אבל הגלגל השני ימשיך לקדם את הג'יפ – דווקא מכיוון שהוא מוצמד היטב אל הקרקע והוא נהנה מאחיזה טובה. נעילת דיפרנציאל רוחבי (אחורי או קדמי) משפרת את עבירות הרכב באופן מדהים, בעיקר על קרקע בעלת אחיזה גבוהה. יש ג'יפאים הסבורים כי רכב שאינו מסוגל לסובב את ארבעת הגלגלים באותה מהירות, "זה לא ג'יפ". כלומר, בלי שלוש נעילות, זה בכלל לא מעניין.

נעילה נשלטת על ידי הנהג היא מנגנון מופלא ואפקטיבי אבל הוא יקר למדי, ויש בו סיכונים. דיפרנציאל נעול (בעיקר קדמי, אבל לא רק) מגביל מאוד את ההיגוי, הוא מסוגל להביא אותנו למקומות טכניים על סף התהפכות, ובתפעול שגוי הוא עלול לגרום נזק מכאני רב. נעילת דיפרנציאל על הכביש עלולה להסתיים בתאונה חמורה, ממש לא מומלץ.

מזה כתריסר שנים, כמעט לכל רכב שטח (או 'כאילו-שטח') יש בקרת משיכה אלקטרונית, מערכת המבצעת סימולציה לא רעה של אפקט הנעילה. רוב קוראינו לא יזדקקו לשום דבר מקצועי יותר ממערכת בקרת משיכה, אבל כדאי לדבר בקצרה על עולם הברזלים הישנים.

את הדיפרנציאלים (מרכזי, אחורי או קדמי) ניתן לנעול בכמה שיטות. הפתרון הזול ביותר הוא דיפרנציאל מוגבל אחיזה, LSD. מנגנון זה מותקן בתוך הסרן האחורי, והוא מגביל את הפרש המהירויות האפשרי בין הגלגלים האחוריים. כאשר הפרש המהירויות גדול מדי, מעביר ה-LSD חלק מהכוח גם אל הגלגל האפקטיבי יותר. ה-LSD זול ואוטומטי, אבל האפקטיביות שלו מוגבלת והוא נשחק עם הזמן.

נעילה רוחבית אולטימטיבית היא נעילה נשלטת, על ידי הנהג. בחלק מרכבי טויוטה, ג'יפ או מרצדס, למשל, יש נעילה רוחבית חשמלית. ג'יפאים רבים מרכיבים נעילות נשלטות מתוצרת ARB, OX או בולסטר. אלו נעילות מצוינות הפועלות בעזרת מדחס אוויר, וניתן להרכיב אותן על הסרן האחורי ו/או הקדמי. זה מוצר יקר למדי, כ-10,000 שקלים לסרן אחורי ועוד כ-6000 לנעילה קדמית. נקודת התורפה של נעילות אלה היא רמת אמינות התלויה בצנרת לחץ אוויר, אטמים ושסתומים.

שועלי שטח מתקינים נעילות אוטומטיות, מסוג 'דטרויט', למשל. אלו נעילות המופעלות ומשתחררות מעצמן, מעניקות רמת אמינות ועבירות גבוהה מאוד. מחירן נמוך יחסית ל'נשלטות' אבל הן לא מומלצות לנהגים חדשים או לרכבי שטח עירוניים, מכיוון שיש לדעת לנהוג בהן על הכביש. כל הנעילות המכאניות דורשות ניסיון והבנה עמוקה, זהו אבזר שממש לא מומלץ לנהגים מתחילים. אם רכשתם רכב משומש עם נעילה שכזו, אל תפעילו אותה ללא הדרכה מקצועית, ראו הוזהרתם!

כזה היה עולמנו עד תחילת שנות האלפיים, ואז הפציעה לנד רובר עם מערכת בקרת משיכה אלקטרונית, Traction Control בפי הבריטים. במרוצת השנים יישמו רוב יצרני העולם טכנולוגיה זו המשתמשת ברכיבי מערכת ה-ABS, לצורך השבחת אחיזת הקרקע.

כבר הסברנו שהבעיה עם דיפרנציאל 'פתוח' היא, שהוא מאפשר את בריחת כוח המנוע אל הגלגל שאיבד אחיזה. באמצעות חיישני ה-ABS מזהה מערכת ה-TC סחרור של גלגל שאיבד אחיזה; תוך שברירי שניה בולמת אותו המערכת, באמצעות רפידות הבלם הרגילות. בלימת הסחרור מונעת זליגת הכוח לכיוון הגלגל הסורר, והדיפרנציאל ימשיך להעביר את כוח המנוע גם אל הגלגל השני, שיש לו אחיזה טובה בקרקע. מערכת TC מבקרת את סחרורם של ארבעת הגלגלים, ומאפשרת לשלושת הדיפרנציאלים (מרכזי, אחורי וקדמי) להעביר כוח אל אותם גלגלים המצויים במגע טוב עם הקרקע. המערכת האלקטרונית פחות אפקטיבית משתי נעילות רוחביות נשלטות, אבל היא שקופה למשתמש, בטיחותית וזולה מאוד לייצור.

עם TC, הנהג לא צריך לעשות כלום; כאשר נבלמת התקדמותו הוא שומר על סל"ד מתון (בהילוך כוח, כמובן, 1200-1500 סל"ד יציב), כוח המנוע יתרוצץ בין שלושת הדיפרנציאלים, ישמעו תיקתוקים ורעידות ולאחר היסוס של שניה או שתיים, ימשיך הרכב להתקדם. אם הרכב אינו ממשיך להתקדם לאחר 10-5 שניות, צריך לסגת לאחור ולנסות נתיב גישה אחר, או טקטיקה שונה. הגדילו לעשות חלק מהיצרנים ובנוסף למערכת TC, התקינו גם נעילות דיפרנציאל מכאניות. הגמדים האלקטרוניים (חיישני מהירות וזווית, מנגנוני ג'יירו זעירים) מנתחים כל הזמן את התקדמות הרכב, זווית ההיגוי, תנאי הקרקע ושיפועי הצד. בעת הצורך יינעלו הגמדים אפילו את הדיפרנציאל האחורי ו/או המרכזי, ויעניקו לרכב עבירות הדומה לזו של רכב כפול נעילות מכאניות.

אבל אפילו מערכת מתוחכמת כזו, אינה פתרון קסמים – באין מהלך מתלים טוב (זה המצב ברוב רכבי השטח המודרניים), התקדמות הרכב תלויה באחיזה שיש לגלגל בודד או לשני גלגלים בלבד. זה לא תמיד מספיק כדי להבטיח התקדמות. מעבר לכך, המערכות האלקטרוניות מופעלות רק לאחר שהתרחש אובדן אחיזה, ויש להן זמן תגובה. בדיוק בפער זמנים זה עלולה להתרחש התקיעה הגדולה, ולכן יש יתרון גדול לנעילה מכאנית נשלטת – אתה נועל אותה לפני הכניסה למכשול, ויכול לזרום באיטיות ובעקביות לאורך מעבר, עליו עלולה להיתקע חללית השטח המודרנית ביותר.

סרטוני הדרכה:

ג'יפים ו-4X4

לנד רובר

עוד הרבה פנאי ושטח בוואלה! רכב