Co je diferenciál, k čemu slouží a jak funguje — DRIVE2

Diferenciál jako automobilový mechanismus brzy oslaví své dvousetleté výročí, ale jeho design byl během těchto mnoha let vylepšen, ale zachoval si své klíčové vlastnosti. Co je diferenciál a jakou roli hraje v autě?

1. CO JE TO DIFERENCIÁL?

Diferenciál v autě je mechanismus, který umožňuje přenos výkonu, a tedy rotaci z převodovky na kola, rozdělující tok této síly na dvě, pro každé z kol jedné nápravy, se schopností měnit poměr výkonu na ně přenášeného, ​​a proto umožňuje kolům otáčet se různými rychlostmi. Jednoduše řečeno, diferenciál rozděluje 100 % výkonu přenášeného převodovkou do dvou proudů pro každé z kol na jedné nápravě a tyto proudy lze přerozdělovat v závislosti na jízdních podmínkách od 50:50 do 100:0.

2. JAKÝ JE ÚČEL DIFERENCIÁLU?

Hlavním účelem diferenciálu je umožnit kolům otáčet se na stejné nápravě různými rychlostmi při zachování nepřetržitého toku točivého momentu. Pro auto je to důležité především v zatáčkách: koneckonců při pohybu po oblouku ujedou kola na vnější straně zatáčky delší vzdálenost než kola na vnitřní straně, což znamená, že se musí otáčet vyšší rychlostí, aby udržela stabilitu vozu.

Pokud jsou kola na nápravě pevně spojena, pak vnitřní kolo při zatáčení prokluzuje. U vozu se zadním náhonem to zvyšuje riziko smyku a u vozu s předním náhonem to radikálně zhoršuje ovladatelnost a ovladatelnost vozu v zatáčkách. Zajištění volného a nezávislého otáčení kol v jedné ose při zachování konstantního přenosu točivého momentu z motoru na ně tedy patřilo k zásadním úkolům již od vzniku vozu – a tento úkol se podařilo úspěšně vyřešit.

3. JAK FUNGUJE ROZDÍL?

Diferenciál je speciální případ planetové převodovky. Fyzikálně se většinou jedná o sadu čtyř ozubených kol, na které je otáčení přenášeno pátým – hnaným ozubeným kolem hlavního ozubeného kola, kombinovaným se skříní diferenciálu, která funguje jako unašeč. Hlavní ozubené kolo je sada dvou ozubených kol: hnací kolo přijímá rotaci z převodovky a přenáší ji na hnanou. Hnané ozubené kolo hlavní převodovky přenáší rotaci přes skříň na satelitní ozubená kola a ta jsou zase v záběru s centrálními ozubenými koly, pevně namontovanými na hřídelích hnací nápravy kol.

Když se vůz pohybuje v přímém směru, pastorky jsou nehybné a rychlost otáčení koncového hnacího kola se rovná rychlosti otáčení centrálních kol: kola se otáčejí stejnou rychlostí. Během zatáčky se satelitní ozubená kola začnou otáčet, což zajišťuje rozdíl v rychlosti mezi centrálními ozubenými koly a následně i koly na vnější a vnitřní straně zatáčky.

4. JAKÉ JSOU NEVÝHODY DIFERENCIÁLU?

Hlavní nevýhodou diferenciálu je zároveň jeho hlavní výhoda – schopnost přenést až 100 % výkonu na jedno z kol. Na základě toho se v podmínkách, kdy má jedno kolo nedostatečnou trakci, přenese převážná část výkonu na něj. Auto se tak někdy ani s jedním kolem na povrchu s dostatečnou přilnavostí nemůže pohnout.

K odstranění tohoto problému byly vyvinuty různé konstrukce – diferenciály se zvýšeným vnitřním odporem (tzv. samosvor) a diferenciály s nucenou svorností, manuální nebo automatizované. V závislosti na konstrukci a určení mohou buď změnit přerozdělení toku výkonu ve prospěch kola s dobrou přilnavostí, nebo zcela uzavřít diferenciál a donutit tak kola na nápravě k otáčení stejnou rychlostí. Budeme zvažovat různé typy takových diferenciálů v samostatných materiálech.

— Pokud se vám článek líbil, proč mu nedáte like?
Chcete vidět více takových? Přihlaste se k odběru vk.com/luxwash_sev

Diferenciál – mechanismus pro rozdělování točivého momentu vstupního hřídele mezi dvě výstupní nápravové hřídele hnacích kol nebo u terénních vozidel pro rozdělování točivého momentu mezi přední a zadní hnací nápravu.
Jedná se o součást převodovky, která se u klasických vozů a vozů s pohonem předních kol obvykle vyrábí jako jeden celek s hlavním převodem a u SUV je zabudována do rozdělovací převodovky. Volný diferenciál rozděluje přiváděný točivý moment vždy rovnoměrně, bez ohledu na to, zda se hnací kola (nebo hnací nápravy) otáčejí stejnou nebo různou rychlostí.

Diferenciální účel

Když se auto pohybuje po zakřivených úsecích silnice – například v zatáčkách – kola hnací nápravy se otáčejí po kruzích různých délek. Vnější kolo (vzhledem ke středu otáčení vozu) urazí delší dráhu než vnitřní. Čím strmější zatáčka, tím větší rozdíl. Podobný problém vzniká při jízdě v přímém směru, pokud jsou použita hnací kola různých velikostí atd. Pokud jsou v těchto situacích kola spojena s tuhou nápravou, ukáže se, že jedno kolo se otáčí rychleji, než je nutné k dokončení dané trajektorie, a druhé pomaleji. To znamená, že obě kola budou prokluzovat, budou vystavena zvýšenému zatížení, více se zahřívají a opotřebovávají. Zvýší se i spotřeba paliva. Nakonec to narušuje směrovou stabilitu vozidla a vede ke smyku nebo driftování – zejména na kluzké vozovce.
Pro kompenzaci rozdílu v dráze, kterou urazí hnací kola, se používá speciální mechanismus – diferenciál. Nejjednodušší, volný diferenciál vyrovnává točivé momenty (neboli tažné síly) obou hnacích kol, a pokud jsou rychlosti jejich otáčení (neboli lineárního pohybu) různé, pak je výkon na nich úměrný tomuto rozdílu. Kolo, které se otáčí rychleji, spotřebuje o něco více energie než kolo, které se otáčí pomaleji.
Diferenciál je tedy konstruován tak, aby zajistil otáčení hnacích kol při různých úhlových rychlostech při neustálém přenosu točivého momentu na obě kola hnací nápravy. Stejná logika je přítomna v činnosti středového diferenciálu.

Zařízení a princip činnosti

Klasická konstrukce diferenciálu je jednoduchá. Například u vozidla s pohonem zadních kol se rotace z hnaného hřídele převodovky přenáší přes hnací hřídel na kuželové kolo rozvodovky, které je v konstantním záběru s hnaným kolem rozvodovky. Hnané kolo je také těleso diferenciálu, ve kterém je osa satelitů – malých kuželových kol – upevněna kolmo k ose hnaného kola. Ten se otáčí spolu se skříní diferenciálu vzhledem k ose hnaného kola hlavního kola. Satelity jsou v konstantním záběru s kuželovými koly levé a pravé nápravové hřídele hnacích kol.
Když se vůz pohybuje přímočaře, satelity se neotáčejí vzhledem ke své vlastní ose. Ale každá, jako rovnoramenná páka, rozděluje točivý moment hnaného kola hlavního kola rovnoměrně mezi nápravová kola.
Když se automobil pohybuje po zakřivené dráze, vnitřní kolo se vzhledem ke středu kruhu popsaného automobilem otáčí pomaleji, vnější rychleji – zatímco satelity se otáčejí kolem své osy a obíhají kolem ozubených kol nápravových hřídelů. Ale princip rozdělování točivého momentu rovnoměrně mezi kola zůstává stejný. Síla dodávaná na kola je přerozdělena, protože se rovná součinu točivého momentu a úhlové rychlosti kola. Pokud je poloměr otáčení tak malý, že se vnitřní kolo zastaví, pak se vnější kolo otáčí dvojnásobnou rychlostí, než když se vůz pohybuje v přímém směru. Diferenciál tedy nemění točivý moment, ale přerozděluje výkon mezi kola. Ten je vždy větší na kole, které se otáčí rychleji.

Aplikace diferenciálů

U vozů s jednou hnací nápravou je instalován jeden diferenciál kombinovaný s hlavním převodem. U vozidel se dvěma a více poháněnými nápravami jsou diferenciály instalovány v každé poháněné nápravě (např. u třínápravového nákladního automobilu nebo autobusu se dvěma zadními poháněnými nápravami jsou diferenciály instalovány ve střední a zadní nápravě). U vozů s plug-in pohonem všech kol jsou diferenciály instalovány v každé hnací nápravě (dvounápravový džíp s pohonem všech kol s plug-in přední hnací nápravou má dva diferenciály – jeden v každé hnací nápravě), ale tyto vozidla s pevně připojenou přední nápravou se nedoporučuje z důvodu zvýšeného opotřebení koncových převodů a kol v důsledku nerovnoměrně rozloženého výkonu mezi nápravami. U terénních vozidel s trvale připojenými hnacími nápravami se zase používají tři diferenciály – jeden v každé hnací nápravě a jeden středový diferenciál instalovaný v rozdělovací převodovce. Středový diferenciál rozděluje výkon mezi hnací nápravy v závislosti na délce dráhy, kterou urazí kola nápravy. Například přední kola dokážou překonat kopec, zatímco zadní kola se mohou stále pohybovat v přímém směru – přední kola opisují delší dráhu než zadní kola, respektive středový diferenciál zajišťuje přenos většího výkonu motoru na přední náprava než zadní. U vícenápravových vozidel s několika hnacími nápravami se používá mezinápravový diferenciál.
Diferenciál se nepoužívá u vozidel s jedním poháněným kolem – zejména u motocyklů a tříkolek se dvěma předními řízenými koly. Pokud je tříkolka postavena podle schématu s jedním předním řízeným kolem a dvěma poháněnými zadními koly, pak používá automobilovou hnací nápravu s diferenciálem. Obvykle se takové tříkolky staví na individuální zakázky na základě oblíbených těžkých modelů (například zakázkové tříkolky založené na Harley-Davidson).
U závodních vozů založených na sériových modelech (například na rallye nebo okruhové závody) je diferenciál před závodem uzamčen, protože taková auta zatáčí vysokou rychlostí a smykem. V tomto případě je za výhodu považován sklon vozu ke smyku kvůli chybějícímu diferenciálu.

Diferenciální nedostatek

Hlavní nevýhodou klasické konstrukce diferenciálu je problém prokluzování kol při ztrátě kontaktu s vozovkou. Když se jedno z hnacích kol otáčí v zavěšeném stavu, jeho rychlost je dvakrát vyšší, než by byla při stejné rychlosti diferenciálního hnaného ozubeného kola při normálním přímém pohybu. Druhé kolo se ale vůbec netočí. Důvod je prostý. Moment odporu proti otáčení zavěšeného kola je zanedbatelný a točivý moment, který je mu přiváděn, je odpovídajícím způsobem malý. To znamená, že točivý moment na protějším kole je stejně malý – je nehybné. Pokud jedno z kol prokluzuje – se zvýšenou rychlostí, ale s výrazným odporem (například v blátě, písku atd.), pak je stejný točivý moment přiváděn na druhé, neprokluzující, kolo. V důsledku toho se vůz může pohybovat nízkou rychlostí. Současně je do prokluzujícího kola dodáván vyšší výkon – je vynaložen na ohřev pneumatiky, vozovky atd. Prokluzový efekt snižuje ovladatelnost vozidla s volným diferenciálem. K vyřešení tohoto problému jsou vozy vybaveny uzávěrkami diferenciálu – manuálními nebo automatickými – různých konstrukcí.

Mechanismy uzávěrky diferenciálu

Manuální uzávěrka diferenciálu

Elektronická uzávěrka diferenciálu

Automatické zamykání pomocí třecí spojky

* Diferenciál s viskózní spojkou (viskózní spojka)

Viskózní spojka funguje podobně jako třecí spojka samosvorného diferenciálu, má však zjednodušenou konstrukci. Ve skříni hlavního ozubeného kola hnací nápravy je instalována viskózní spojka, která se skládá ze dvou svazků střídavě děrovaných kotoučů rotujících ve viskózním médiu na bázi silikonu. Každý balíček je připojen k levému a pravému hřídeli nápravy. Když je úhlová rychlost hřídelí nápravy stejná, je také stejná rychlost otáčení kotoučů. Jakmile se jeden z balíků spojených s hřídelí nápravy začne otáčet rychleji než druhý, viskózní spojka začne zpomalovat tento balík a snaží se vyrovnat úhlové rychlosti disků (a podle toho také hřídelí nápravy). Díky tomu dochází k efektu automatického blokování volnoběžky.
Tento typ automatického zamykání má několik nevýhod. Za prvé, viskózní spojka zvětší velikost skříně hnací nápravy. Za druhé, viskózní spojka není vysoce účinná a nefunguje, když je velký rozdíl v úhlových rychlostech, to znamená v těžkých terénních podmínkách.
Mezi výhody viskózní spojky patří jednoduchost konstrukce. Někdy se používá místo ozubeného diferenciálu – spárovaný s kuželovým koncovým převodem. Ve většině případů se viskózní spojky u hnacích náprav nepoužívají. Instaluje se jako mechanismus pro automatickou uzávěrku středového diferenciálu v terénních osobních automobilech (v pohodlných SUV, které nejsou určeny pro intenzivní použití v terénních podmínkách).

Jiné typy samosvorných diferenciálů

Kromě popsaných automatických uzávěrek diferenciálů se v automobilech používají i jiné typy uzávěrek.
Ve vojenské výstroji se rozšířily ozubené nebo vačkové samosvorné diferenciály.
Existuje návrh hydraulického otočného samosvorného diferenciálu, který využívá principu hydraulicky poháněné třecí spojky. Když se objeví rozdíl v úhlových rychlostech nápravových hřídelů, spojka zpomalí rotaci jednoho z nápravových hřídelů vlivem pístu stlačujícího paket třecích kotoučů. Píst je posouván tlakem oleje čerpaným hydraulickým čerpadlem.
Vozidla Honda s pohonem všech kol jsou vybavena uzávěrkou diferenciálu se dvěma hydraulickými čerpadly.
Na moderních terénních osobních a závodních vozech se stále častěji používají ozubené samosvorné diferenciály (axiální i středové), které využívají efektu zadření šnekového nebo šroubového soukolí při dosažení prahového rozdílu výkonu.