Lexikón: Diferenciál, alebo menej je viac a niekedy naopak

Diferenciál si ako svoj vynález nechal patentovať Francúz Onésiphore Pecqueur už v roku 1827 a jeho základná myšlienka funguje dodnes. Diferenciál je mechanický prvok, ktorého hlavnou úlohou je rozdeľovať krútiaci moment medzi kolesá jednej alebo viacerých náprav, pričom vyrovnáva rozdiely rôznych otáčok kolies pri prejazde zákrutou.

Jeho význam sa prejaví najmä v zákrutách, keď dvojica kolies na jednej náprave opisuje odlišnú dĺžku dráhy. Keby boli kolesá spojené napevno, tak pri prejazde zákrutou by sa kvôli rovnakým otáčkam jedno koleso zákonite šmýkalo.Trpela by ale aj prevodovka či poloosi. Najčastejšie sa diferenciál nachádza na hnacej náprave vozidla, preto sa označuje ako nápravový. Keďže ale existujú vozidlá s pohonom oboch náprav, poznáme aj diferenciál medzinápravový. Také je základné delenie podľa umiestnenia. Ďalej sa diferenciály delia podľa konštrukcie a to na otvorené, samosvorné a aktívne.

Otvorený diferenciál

Ide o konštrukčne najjednoduchšie riešenie (stály prevod, klietka diferenciálu, satelity a planétové kolesá kužeľového tvaru), ktoré sa používa najčastejšie. Krútiaci moment je pri otvorených diferenciáloch rozdelený v pomere 50:50. Nevýhodou otvoreného diferenciálu je, že ak sa jedno koleso dostane na povrch s nízkou adhéziou, alebo sa ocitne vo vzduchu, klesne jeho schopnosť prenášať trakčnú silu na vozovku, zároveň klesne jeho odpor a tým pádom aj dodávka krútiaceho momentu.

No a keďže pomer 50:50 zostáva zachovaný, na rovnaké minimum klesne aj krútiaci moment smerujúci na koleso, ktoré sa nachádza na dobrom povrchu a kladie odpor. Vo výsledku sa teda koleso na šmykľavom povrchu, alebo vo vzduchu, vďaka krútiacemu momentu otáča, a koleso na dobrom povrchu stojí, pretože mu malé množstvo krútiaceho momentu na pohyb nestačí. Slangovo sa tomuto problému hovorí aj “one tire fire”. Základným riešením je mechanická uzávierka otvoreného diferenciálu. Tú aktivuje vodič a následkom spojenia oboch hnacích kolies je, že krútiaci moment sa prenesie na koleso, ktoré má trakciu. Počas jazdy po spevnenom povrchu ale musí byť uzávierka, z vyššie spomenutých dôvodov, vypnutá.

Samosvorný diferenciál

Bežné autá si na ceste vystačia s otvoreným diferenciálom, no napríklad pre rýchle športové modely je častokrát nedostatočný. Takéto vozidlá preto využívajú samosvorné diferenciály rôznych typov a konštrukcií. Samosvorný je preto, že sa uzamyká sám – reakciou buď na rozdiel krútiaceho momentu alebo otáčok kolies. Je konštrukčne zložitejší, no funguje v náročných situáciách, v ktorých by auto s otvoreným diferenciálom nedokázalo preniesť na vozovku dostatočný výkon. Napríklad keď sa jedno koleso vplyvom náklonu karosérie v zákrute odľahčí, alebo vyjde na povrch s horšou adhéziou, samosvorný diferenciál okamžite prenesie väčšiu časť krútiaceho momentu na koleso s lepšou priľnavosťou. Najčastejšie používané samosvorné diferenciály majú síce rôzne konštrukčné riešenia, no v podstate vychádzajú z otvoreného kužeľového diferenciálu, teda okrem Torsenu. Musia byť ale vybavené doplnkovým zariadením, ktoré slúži na ich zablokovanie.

Samosvorný diferenciál s obmedzeným preklzom (LSD) má napríklad medzi prítlačnými kotúčmi krížový hriadeľ a za každým prítlačným kotúčom sú umiestnené trecie lamely uchytené o klietku diferenciálu. Do konštrukčných detailov sa v tomto článku púšťať nebudeme, no je dôležité spomenúť, že LSD diferenciály sa, okrem toho že dokážu prenášať točivý moment na koleso s väčšou trakciou, ešte rozdeľujú na jednocestné, čiastočne dvojcestné a dvojcestné. Jednocestný uzamyká kolesá v priamom smere len pri akcelerácii. Dvojcestný ich uzamyká pri akcelerácii aj pri decelerácii. Čiastočne dvojcestný diferenciál dokáže upravovať mieru uzamknutia kolies, takže pri decelerácii je menšia, ako pri akcelerácii. Ďalší typ využíva na uzávierku treciu lamelovú spojku –  keď sa lamely pomocou hydrauliky pritlačia k sebe, spoja sa hriadele a diferenciál sa uzamkne. Tlak v hydraulickom okruhu sa mení v závislosti od straty adhézie na jednom z kolies. Potom poznáme aj samosvorný diferenciál s viskóznou spojkou, ktorý konštrukčne tiež vychádza z otvoreného a pracuje s rozdielom otáčok kolies pomocou hydrodynamického odporu. Svornosť diferenciálu sa obvykle uvádza v percentách – Ak sa bavíme o svornosti 50% znamená to, že rozdiel momentov na jednotlivých kolesách sa môže líšiť najviac o 50%. Napríklad 75:25% v prospech kolesá s lepšou priľnavosťou.

Torsen

Kým lamelový diferenciál reaguje na rozdiel otáčok, Torsen je citlivý na rozdiel krútiaceho momentu. Používať sa začal v priebehu 80-tych rokov, do športových áut sa postupne dostával v priebehu 90-tych rokov a dnes sa už používa často. Z technického hľadiska na dosiahnutie svornosti využíva trenie v skrutkovom ozubení planétových kolies a satelitov. Pre väčšinu ľudí bez technického vzdelania je však zaujímavejšie, že Torsen sa využíva ako nápravový, ale aj ako medzinápravový diferenciál. A tiež, že poznáme typy A, B a C.

Typ A je kombináciou priameho ozubenia, závitovky a závitovkových kolies. Je to diferenciál so symetrickým delením krútiaceho momentu a používa sa obvykle ako diferenciál zadnej poháňanej nápravy, alebo ako medzinápravový. Mechanizmus je usporiadaný ako závitovkové súkolesie so šikmým ozubením Invex. Pokiaľ sa auto pohybuje  v priamom smere a obe kolesá idú po rovnakom povrchu s dobrou adhéziou, diferenciál rozdeľuje krútiaci moment v pomere 50:50. Jeho výhodou je, že dokáže prenášať niekoľkokrát vyšší krútiaci moment na koleso s lepšou trakciou, nie však 100%. Pomer delenia sa označuje ako TBR (Torque Bias Ratio), je daný konštrukciou Torsenu a počas životnosti sa nemení. Hodnota TBR môže byť v rozmedzí 2,5:1 až 5:1. Jeho nevýhodou je, že ak sa jedno z kolies dostane do vzduchu, tak sa neuzamkne a bude sa chovať ako otvorený diferenciál. Pretože ak sa nulový moment znásobí TBR, moment na druhom kolese bude stále nulový. Vyznačuje sa ale jednoduchosťou a bezúdržbovosťou.

Typ B je takisto symetrický, avšak namiesto závitovky a závitovkových kolies využíva satelity a centrálne kolesá, ktoré majú rovnobežné osi. Využíva sa ako diferenciál prednej nápravy, dnes aj pod označením ATB a relatívne často.

Typ C je medzinápravová asymetrický diferenciál, konštrukčne ide o planétové súkolesie. Za bežných podmienok delí krútiaci moment asymetricky medzi prednú a zadnú nápravu, teda v pomere inom, než 50:50. Asymetrické delenie je spôsobené rozložením sily na obvode satelitu.

Aktívne diferenciály

Konštruktéri sa roky trápili nad otázkou, ako vylepšiť samosvorné diferenciály, respektíve odstrániť ich nedostatky. Prišli s aktívnymi elektronickými systémami, ktoré patria medzi prvky aktívnej bezpečnosti, no okrem prevencie voči nehodám, zlepšujú aj jazdné vlastnosti auta.

Väčšina týchto moderných systémov vychádza zo systému Torque Vectoring. Jeho princíp spočíva v efektívnom delení krútiaceho momentu na kolesá v závislosti na jazdných podmienkach, ktoré vyhodnocuje elektronika. Ak napríklad chce vodič rýchlo prejsť zákrutou, elektronika privedie viac krútiaceho momentu na vonkajšie kolesá a tým napomáha zatáčaniu vozidla. Možno ho ale samozrejme použiť aj v prípade, že niektoré z kolies prekĺza. Takýto efekt sa dá docieliť v zásade dvoma spôsobmi. Tým prvým je jednoduchý spôsob, kedy elektronika úmyselne pribrzďuje pretáčajúce sa koleso.

Používa sa v kombinácii s otvoreným diferenciálom. Druhým spôsobom je použitie samotného aktívneho diferenciálu, ktorý je však nákladný, zložitý a nájdeme ho preto prevažne v drahých športových modeloch. Je však možné imitovať aktívny diferenciál tým, že sa v zákrute zámerne pribrzďuje vnútorné koleso, čím sa vytvára brzdiaci moment a vďaka tomu sa potom viac momentu prevedie na vonkajšie koleso. Výsledkom je požadovaná dotáčavosť a stabilita v zákrute, avšak za cenu spomalenia vozidla.