Mechanizm różnicowy – co to jest i w jaki sposób działa?

Budowa i funkcje mechanizmu różnicowego

Mechanizm różnicowy, nazywany zamiennie dyferencjałem, to element niezbędny w każdym samochodzie. Jego zastosowanie umożliwia skręcanie samochodu, przy jednoczesnym utrzymaniu przyczepności obydwu kół na przeciwległych stronach osi napędowej. Brak mechanizmu różnicowego spowodowałoby powstawanie znacznych naprężeń w układzie napędowym, a także szybkie zniszczenie opon. Za co odpowiada mechanizm różnicowy w samochodzie?

Mechanizm różnicowy – dlaczego jego obecność jest konieczna?

W trakcie jazdy po linii prostej obydwa koła na jednej osi pokonują taki sam dystans. Podczas jazdy po łuku, np. przy pokonywaniu zakrętu, koło po wewnętrznej stronie łuku porusza się po okręgu o mniejszym promieniu – pokonuje krótszy dystans. Dlatego zewnętrzne koło musi obracać się szybciej. Mechanizm różnicowy to układ kół zębatych, dzięki którym każde koło może poruszać się z inną prędkością, dostosowaną do dystansu pokonywanego przez nie w zakręcie.

Przy sztywnym połączeniu dwóch stron osi napędowej, bez mechanizmu różnicowego, obydwa koła stale obracałyby się z tą samą prędkością. Dlatego przy pokonywaniu zakrętu jedno z kół musiałoby się ślizgać na nawierzchni, gdyż jego prędkość byłaby równa drugiemu kołu, które pokonuje inny dystans. Poślizgi doprowadziłyby do szybkiego zniszczenia bieżnika opony. Dzięki dyferencjałowi koło wewnętrzne może się obracać wolniej i dzięki temu nie traci przyczepności. W układzie napędowym powstawałyby również wysokie naprężenia, które w skrajnym przypadku mogłyby doprowadzić nawet do ukręcenia półosi napędowej. W samochodach z napędem na cztery koła stosuje się również międzyosiowy mechanizm różnicowy, pozwalający na niezależną pracę przednich i tylnych kół.

Budowa i zasada działania mechanizmu różnicowego

Do wnętrza obudowy mechanizmu różnicowego przymocowane jest koło talerzowe przekładni głównej, na które za pomocą wałka atakującego przenoszony jest moment obrotowy z silnika. Elementem tego układu są również umieszczone naprzeciwko siebie zębate koła koronowe, połączone bezpośrednio z półosiami napędowymi.

W przenoszeniu momentu obrotowego z koła talerzowego na koła koronowe uczestniczą satelity, które są stożkowymi kołami zębatymi. Obrót koła talerzowego wprawia satelity w ruch obiegowy wokół środka mechanizmu. Satelity zazębione z kołami koronowymi doprowadzają przy tym do przeniesienia momentu obrotowego na koła koronowe, dzięki czemu koła samochodu zostają wprawione w ruch.

Gdy samochód znajdzie się w zakręcie, satelity zaczynają obracać się również wokół własnej osi. Dzięki temu, jeżeli koło samochodu znajdujące się po zewnętrznej stronie łuku przyspiesza, drugie zwalnia o tę samą wartość, o jaką wzrosła prędkość obrotu pierwszego.

Mechanizm różnicowy nie jest doskonały

O ile działanie mechanizmu różnicowego jest w zakrętach zbawienne dla opon oraz układu napędowego, może on stać się problemem w warunkach obniżonej przyczepności. Jeżeli jedno z kół znajdzie się na mocno oblodzonej nawierzchni, a drugie zachowa przyczepność, to mechanizm różnicowy może uniemożliwić ruszenie z miejsca. Gdy jedno z kół straci przyczepność jeszcze przed ruszeniem z miejsca i zacznie się obracać z dużą szybkością na lodzie, to drugie pozostanie nieruchome. W takiej sytuacji zadziała mechanizm różnicowy – obniży prędkość drugiego koła do zera.

Ta cecha jest szczególnie uciążliwa w przypadku samochodów terenowych – podczas jazdy w nierównym skalistym terenie jedno z kół może oderwać się od ziemi. Wówczas moment obrotowy zostanie przeniesiony właśnie na to koło – będzie ono kręcić się w powietrzu, a reszta kół pozostanie nieruchoma. Rozwiązaniem tego problemu może być blokada mechanizmu różnicowego, która sprawi, że koła nie będą mogły kręcić się z różną prędkością. Innym sposobem radzenia sobie z tą przypadłością jest mechanizm różnicowy o ograniczonym poślizgu, czyli tzw. szpera.

Co daje mechanizm różnicowy o ograniczonym poślizgu?

Zastosowanie mechanizmu różnicowego o ograniczonym poślizgu w samochodach z napędem na przednią oś znacząco ogranicza podsterowność, nadając mu przy tym bardziej sportową charakterystykę prowadzenia. W samochodach z napędem na tylne koła mechanizm różnicowy o ograniczonym poślizgu zapewnia natomiast dużo większą nadsterowność.

Standardowy mechanizm różnicowy przekazuje większą część momentu obrotowego na koło, które stawia mniejszy opór. Zastosowanie szpery zwiększa tarcie wewnątrz mechanizmu różnicowego, przez co moment jest rozdzielany bardziej równomiernie pomiędzy kołami napędowymi.

Mechanizm różnicowy o ograniczonym poślizgu to rozwiązanie, które nie występuje w samochodach do codziennej jazdy. Znajduje natomiast zastosowanie w sportowych modelach o dużej mocy. W trakcie szybkiego pokonywania zakrętu siła odśrodkowa oddziałuje na pojazd, sprawiając, że koło po wewnętrznej stronie nie jest tak mocno dociśnięte do nawierzchni, jak zewnętrzne – stawia mniejszy opór.

Klasyczny mechanizm różnicowy przekazałby na nie większą część momentu, przez co koło zewnętrzne o wyższej przyczepności otrzyma mniejszą dawkę mocy. Takie zachowanie układu napędowego nie sprzyja szybkiej jeździe. W analogicznej sytuacji z mechanizmem różnicowym wyposażonym w szperę może efektywnie przenieść wyższą moc na nawierzchnię drogi, a w konsekwencji szybciej pokona krętą trasę.

Autor: Jakub Rzeźnik