Mechanizm różnicowy – jak działa szpera?

14 czerwca 2020

Znajdziemy go w każdym samochodzie i bez niego nie moglibyśmy bezpiecznie pokonać żadnego zakrętu. Mowa o mechanizmie różnicowym, z istnienia którego wiele osób zdaje sobie sprawę, ale o wiele mniej potrafi wyjaśnić zasadę jego działania.

Po co nam w ogóle mechanizm różnicowy?
Mechanizm różnicowy, zwany także dyferencjałem, pozwala kołom przymocowanym do tej samej osi, obracać się z różną prędkością. Korzystamy z tego dobrodziejstwa na każdym łuki i zakręcie, kiedy koła znajdujące się po wewnętrznej stronie, obracają się wolniej od tych po zewnętrznej. Gdyby połączone były ze sobą na sztywno, koło znajdujące się po wewnętrznej stronie musiałoby cały czas się ślizgać, żeby nadążyć za zewnętrznym.

Przeczytaj też: Napęd quattro i systemy w Audi A7 Sportback – zasada działania + film

Mechanizm różnicowy – zasada działania
Dyferencjał składa się z zespołu kół zębatych, których działanie może wydawać się skomplikowane, gdy widzimy je w ruchu, ale zasada wcale nie jest taka złożona. Na końcach półosi znajdują się wspomniane koła zębate, które wprawiane w ruch, napędzają koła pojazdu. Połączone są one z kołem talerzowym, na które trafia moment obrotowy z silnika.

Nie jest to jednak połączenie bezpośrednie – między kołami zębatymi na półosiach, a kołem talerzowym, umieszczone są dodatkowe koła, tak zwane satelity, osadzone na elemencie zwanym krzyżakiem. Podczas jazdy na wprost i w warunkach dobrej przyczepności, poruszają się z taką samą prędkością. Kiedy jednak wjedziemy w zakręt i pojawia się różnica między szybkością kręcenia się kół pojazdu, satelity zaczynają się obracać także na ramionach krzyżaka. Innymi słowy, część momentu nie trafia na wolniej poruszające się koło (czyli znajdujące się po wewnętrznej części łuku), zmuszając je do poślizgu i wywołując naprężenia w całym układzie, lecz jest płynnie „zagospodarowywane” przez mechanizm różnicowy.

Przeczytaj też:
Rodzaje napędów w samochodach 4×4 – część I
Rodzaje napędów w samochodach 4×4 – lsd, blokada mostu. Część II

Najlepiej jest to oczywiście zobaczyć na przykładzie, który wychodzi od podstawowych założeń, które przyświecały konstruktorom pierwszego dyferencjału, a następnie rozbudowuje je, aż do uzyskania mechanizmu różnicowego stosowanego w samochodach. A nie ma chyba w sieci prostszego i bardziej czytelnego wyjaśnienia, niż poniższe wideo.

Mechanizm różnicowy o ograniczonym poślizgu
Tak jak wspominaliśmy, jazda bez dyferencjału nie byłaby możliwa, ale rozwiązanie to ma też swoje wady. Jak już wiecie, mechanizm różnicowy „nie zmusza” kół do kręcenia się z taką samą prędkością, dzięki czemu możemy bezpiecznie pokonać zakręt. Ale to niejedyna sytuacja, kiedy koła nie chcą kręcić się równo. Dzieje się tak, gdy mają one różną przyczepność, co zwykle ma miejsce na śliskiej nawierzchni lub na bezdrożach. Kiedy jedno koło straci przyczepność (na przykład na lodzie) będzie kręciło się bardzo szybko, ponieważ pozwoli na to mechanizm różnicowy, podczas gdy drugie mające dobrą przyczepność, otrzyma znacznie mniej momentu obrotowego. Kiedy widzicie auto próbujące wyjechać z błota, w którym jedno koło kręci się bezużytecznie, a drugie nie chce nawet drgnąć, to właśnie działanie dyferencjału.

Podczas normalnego użytkowania samochodu osobowego, nie jest to problemem, ale są pojazdy (oraz kierowcy), dla których to poważne utrudnienie. Mowa na przykład o autach sportowych, w których bardzo ważne jest maksymalne wykorzystanie dostępnej przyczepności. Aby to umożliwić, stosuje się mechanizmy różnicowe o zwiększonym tarciu wewnętrznym, zwane zwykle mechanizmami o ograniczonym poślizgu. Specjalnie użyliśmy tej mniej popularnej (ale uważanej za bardziej poprawną, gdyż nie jest kalką z języka angielskiego) nazwy, ponieważ pozwala ona łatwiej zrozumieć zasadę działania tego rozwiązania.

Przeczytaj też: Quattro kontra xDrive – który lepszy?

Tak naprawdę „szpera” (jak się czasem ją określa, tym razem nawiązując do niemieckiej nomenklatury) może mieć różną konstrukcję, ale wszystkie mają to samo zadanie. Zadaniem tym jest wytworzenie dodatkowego tarcia w dyferencjale (stąd polska nazwa) dając efekt taki, jakby swobodnie kręcące się około (na przykład na lodzie) odzyskało przyczepność, dzięki czemu więcej mocy może zostać przeniesione na koło, które faktycznie ma przyczepność.

Prawdziwy mechanizm różnicowy o zwiększonym tarciu wewnętrznym wykorzystuje na przykład sprzęgła, umieszczone przy kołach zębatych na półosiach. Kiedy następuje poślizg sprzęgło zaczyna wytwarzać dodatkowe tarcie, które pomaga wyrównać ilość mocy trafiającą do kół. Producenci coraz częściej stosują też tak zwaną elektroniczną szperę, która korzysta z elementów układu ABS. Kiedy system wykryje, że jedno z kół wpadło w poślizg, spowalnia je przy użyciu hamulców, sprawiając, że dyferencjał skieruje więcej mocy na drugie koło.

Blokada mechanizmu różnicowego
Mechanizm różnicowy swoim działaniem przeszkadza także w terenie, z powodów wymienionych powyżej. Dlatego w prawdziwych offroaderach stosuje się jego pełną blokadę. Oznacza to, że koła zostają połączone ze sobą na sztywno i zawsze obracają się z taką samą prędkością. W niektórych autach spotkać można także blokadę centralnego dyferencjału, co wyrównuje także moc trafiającą na przednią i tylną oś.

W ten sposób samochód, w którym tylko jedno koło ma przyczepność, jest w stanie dalej jechać, ponieważ może trafić do niego wystarczająca ilość momentu obrotowego, żeby pojazd ruszył. Z takiego rozwiązania można korzystać wyłącznie na śliskim podłożu, na którym koła mogą swobodnie wpadać w poślizg. W przeciwnym razie może dojść do uszkodzenia dyferencjału, który po zablokowaniu będzie wymuszał na kołach kręcenie się z identyczną prędkością, zupełnie jakby pojazd był go pozbawiony.